用于具有穿孔火焰稳定器的燃烧器的控制系统的制作方法
概述
实施例包括燃烧系统，该燃烧系统包括穿孔火焰稳定器。燃烧系统被配置成在预热状态下和标准操作状态下操作。在预热状态下，燃烧系统以预热燃料和氧化剂支持预热火焰。预热火焰被定位成将穿孔火焰稳定器加热到操作温度。在标准操作状态下，穿孔火焰稳定器保持主燃料和氧化剂的燃烧反应。可选地，主燃料和预热燃料可以是相同的燃料。根据一些实施例，主燃料和/或预热燃料可以包括燃料混合物。在实施例中，主燃料和预热燃料是天然气。
根据实施例，燃烧系统包括预热火焰传感器，该预热火焰传感器被配置成感测预热火焰的状况并输出指示预热火焰的状况的传感器信号。燃烧系统包括穿孔火焰稳定器传感器，其被配置成感测穿孔火焰稳定器或由穿孔火焰稳定器保持的燃烧反应的状况，并输出指示穿孔火焰稳定器或燃烧反应的状况的传感器信号。燃烧系统包括控制器，该控制器被配置为接收来自预热火焰传感器和穿孔火焰稳定器传感器的传感器信号。控制器被配置成执行被存储在非暂时性计算机可读介质上的软件指令，以响应来自穿孔火焰稳定器传感器和预热火焰稳定器传感器的传感器信号，自动调节燃烧系统的参数，并自动在预热状态和标准操作状态之间转换燃烧系统，和/或使用替代方法或设备，以维持稳定和安全的燃烧或除预热状态和标准操作状态之外的稳定和安全状态。控制器通过控制配置成调节燃烧系统的部件的一个或更多个致动器来调节燃烧系统和在状态之间转换。
根据实施例，火焰稳定性传感器被定位成感测在(例如，主)燃料喷嘴和穿孔火焰稳定器之间的区域中的火焰状况(例如，火焰的存在或不存在)，发明人发现所述区域表征主燃烧反应不稳定性。例如，火焰稳定性传感器可以被定位在燃料喷嘴和穿孔火焰稳定器之间的中途。控制器可以在从火焰稳定性传感器接收到与被定位的区域中火焰的至少瞬时存在相对应的不稳定性信号时，并且响应地执行至少瞬时存在燃烧反应不稳定性的逻辑判定。控制器可以响应地将燃烧反应不稳定性的事件写入日志文件和/或使对应于该事件的电子显示状态被提供给操作工程师等。可选地，控制器可使一个或更多个致动器修改操作状况来增加主燃烧反应稳定性。例如，控制器可导致对火焰通风装置的致动以增加在燃料喷嘴和穿孔火焰稳定器之间的流体流速或流体冷却，导致风门打开以增加空气体积输送，导致鼓风机增加功率以增加空气体积输送，导致阀暂时暂停燃料输送，和/或导致穿孔火焰稳定器的加热器启动。
一个实施例是包括穿孔火焰稳定器的燃烧系统。该燃烧系统被配置成在预热状态下和在标准操作状态下操作。在预热状态下，燃烧系统以预热燃料和氧化剂支持预热火焰。预热火焰被定位成将穿孔火焰稳定器加热到操作温度。在标准操作状态下，穿孔火焰稳定器保持主燃料和氧化剂的燃烧反应。燃烧系统包括预热火焰传感器，该预热火焰传感器被配置成感测预热火焰的状况，并输出指示预热火焰的状况的传感器信号。燃烧系统包括穿孔火焰稳定器传感器，其被配置成感测穿孔火焰稳定器的状况，并输出指示穿孔火焰稳定器的状况的传感器信号。燃烧系统包括控制器，该控制器被配置为接收来自预热火焰传感器和穿孔火焰稳定器传感器的传感器信号。控制器被配置成执行被存储在非暂时性计算机可读介质上的软件指令，以响应于来自穿孔火焰稳定器传感器和预热火焰稳定器传感器的传感器信号在显示器上输出消息，该消息提示燃烧系统的操作者调节燃烧系统的参数并在预热状态和标准操作状态之间转换燃烧系统。
一个实施例是包括穿孔火焰稳定器的燃烧系统。燃烧系统被配置成在预热状态下和在标准操作状态下操作。在预热状态下，燃烧系统以预热燃料和氧化剂支持预热火焰。预热火焰被定位成将穿孔火焰稳定器加热到操作温度。在标准操作状态下，穿孔火焰稳定器保持主燃料和氧化剂的燃烧反应。燃烧系统包括预热火焰传感器，该预热火焰传感器被配置成感测预热火焰的状况，并输出指示预热火焰的状况的传感器信号。燃烧系统包括穿孔火焰稳定器传感器，其被配置成感测穿孔火焰稳定器的状况，并输出指示穿孔火焰稳定器的状况的传感器信号。燃烧系统包括控制器，该控制器被配置为接收来自预热火焰传感器和穿孔火焰稳定器传感器的传感器信号。控制器被配置成执行被存储在非暂时性计算机可读介质上的软件指令，以响应于来自穿孔火焰稳定器传感器和预热火焰稳定器传感器的传感器信号，调节燃烧系统的参数，并在预热状态和标准操作状态之间转换燃烧系统。控制器被配置成响应于传感器信号在显示器上输出消息，该消息提示燃烧系统的操作者批准燃烧系统的调节参数或在预热状态和标准操作状态之间的转换。如果操作者指示批准调节燃烧系统和在状态之间的转换，则控制器通过控制配置成调节燃烧系统的部件的一个或更多个致动器来调节燃烧系统和该转换。控制器还可以经由根据由燃烧系统的各种传感器输出的传感器信号对致动器的控制来维持在穿孔火焰稳定器内的期望的燃烧。附加地或可可选地，控制器可以被配置成以自动模式操作，其中控制器自动地控制一个或更多个致动器。在自动模式中，控制器优选地创建日志文件以指示感测的参数和/或在自动控制下执行的致动。
附图说明
图1是根据实施例的燃烧系统的框图，该燃烧系统包括穿孔火焰稳定器。
图2是根据实施例的燃烧系统的简化图，该燃烧系统包括被配置成保持燃烧反应的穿孔火焰稳定器。
图3是根据实施例的图1和图2中的穿孔火焰稳定器的一部分的侧视截面图。
图4是示出根据实施例的用于操作包括图1-3的穿孔火焰稳定器的燃烧器系统的方法的流程图。
图5a是根据实施例的燃烧系统的简化图，该燃烧系统包括被配置成保持燃烧反应的网状陶瓷穿孔火焰稳定器。
图5b是根据实施例的图5a中的网状陶瓷穿孔火焰稳定器的一部分的侧视截面图。
图6是根据实施例的燃烧系统的部件的框图。
图7是根据实施例的用于操作燃烧系统的过程的流程图。
图8是根据实施例的用于操作燃烧系统的过程的流程图。
图9是根据实施例的用于操作燃烧系统的过程的流程图。
图10a是根据实施例的燃烧系统的图。
图10b是根据实施例的图10a中的处于预热状态的燃烧系统的图。
图10c是根据实施例的图10a中的处于标准操作状态的燃烧系统的图。
图11是根据实施例的燃烧系统的图。
图12a是根据实施例的包括穿孔火焰稳定器和电容层析成像设备的燃烧系统的图。
图12b是根据实施例的穿孔火焰稳定器和电容层析成像设备的顶视图。
详细描述
在下面的详细描述中，参考形成其一部分的附图。在附图中，除非上下文另外规定，否则相似的符号通常标识相似的部件。在详细描述、附图、和权利要求中描述的说明性实施例并不意味着进行限制。可以利用其它实施例，并且可以做出其他改变而不偏离本文提出的主题的精神或范围。
如本文所用，术语电容层析成像(ect)应如所描述的被理解。ect感测可以基本上是电容性的，或者可以附加地或可选地被制成实际测量电导、电阻、阻抗、或其他电参数。ect可以包括多个传感器通道，例如可以通过移动传感器或使用传感器阵列产生，例如可以在更熟悉的(例如，医学)层析成像系统中被看到。附加地或可选地，ect系统可以包括由相对于感测区域(例如，火焰保持区域、通风区域、回火区域、烟道气区域、引燃火焰区域等)定位的两个电极限定的低至单个通道的传感器通道范围。除非上下文另有规定，否则本文的公开内容和权利要求应符合这一宽泛的含义。
图1是根据实施例的包括穿孔火焰稳定器(穿孔火焰稳定器)102的燃烧系统100的图。燃烧系统100被配置为将穿孔火焰稳定器102预热到操作温度，在该操作温度下穿孔火焰稳定器102能够维持至少部分地在穿孔火焰稳定器102内的主燃料和氧化剂的燃烧反应。因此，燃烧系统100被配置成在两种一般操作条件下操作：预热状态和标准操作状态。在预热状态下，燃烧系统100将穿孔火焰稳定器102预热到操作温度。当穿孔火焰稳定器102已经达到操作温度时，燃烧系统100转换到标准操作状态，在该标准操作状态下，穿孔火焰稳定器102保持至少部分地在穿孔火焰稳定器102内的主燃料和氧化剂的燃烧反应。在一个实施例中，在标准操作状态下，穿孔火焰稳定器102将主要燃料和氧化剂的大部分的燃烧反应保持在穿孔火焰稳定器102内。
在一个实施例中，燃烧系统100在预热状态下利用氧化剂源104、预热燃料分配器106、和预热燃料源108。在预热状态下，氧化剂源104将氧化剂输出到穿孔火焰稳定器102被定位的炉膛容积中。预热燃料源108向预热燃料分配器106供应预热燃料。预热燃料分配器106将预热燃料输出到炉膛容积中。预热燃料和氧化剂在炉膛容积中混合在一起。燃烧系统100利用点燃器点燃预热燃料和氧化剂的混合物，从而生成预热火焰。预热火焰被定位在预热燃料分配器106和穿孔火焰稳定器102之间。预热火焰预热穿孔火焰稳定器102，直到穿孔火焰稳定器102达到操作温度。当穿孔火焰稳定器102达到操作温度时，燃烧系统100转换到标准操作状态。
在一个实施例中，在标准操作状态下，燃烧系统100利用主燃料分配器110、主燃料源112、和氧化剂源104以支持在标准操作状态期间至少部分地在穿孔火焰稳定器102内的燃烧反应。在标准操作状态下，主燃料源112向主燃料分配器110供应主燃料。主燃料分配器110以一轨迹输出主燃料以被穿孔火焰稳定器102接收。当主燃料朝向穿孔火焰稳定器102行进时，主燃料和氧化剂混合。穿孔火焰稳定器102在穿孔火焰稳定器102内接收主燃料和氧化剂的混合物。因为穿孔火焰稳定器102已经被加热到操作温度，所以穿孔火焰稳定器102支持至少部分地在穿孔火焰稳定器102内的主燃料和氧化剂的燃烧反应。
在一个实施例中，氧化剂源104包括多个氧化剂源。在预热状态下，氧化剂源104可以例如通过桶寄存器(barrelregister)中的槽从所有氧化剂源和从公共上游供应来供应氧化剂。在标准操作状态下，桶寄存器可以被关闭，使得所有氧化剂来自桶寄存器的槽的上游。
在一个实施例中，氧化剂源104包括风门，风门的位置可被调节以在标准操作状态期间和在转换到标准操作状态期间引导氧化剂的所有流更靠近主燃料分配器的位置。在预热状态期间，可以调节风门的风门位置，以使得氧化剂能够在预热燃料分配器106附近流动。
在一个实施例中，在预热状态期间、在标准操作状态期间、以及在预热状态和标准操作状态之间的转换期间，可以出现各种状况。在燃烧系统100中的状况可以指示预热状态正在正常进行、转换到标准操作状态的时间已经到了、或者燃烧系统100在标准操作状态下按预期操作。然而，在一些情况下，状况可以指示燃烧系统100的一个或更多个部件、过程、或操作的问题。在燃烧系统100内的状况可以指示燃烧系统100的一个或更多个参数应当被调节以便使操作达到期望的状态、燃烧系统100应当从标准操作状态恢复到预热状态、或者燃烧系统100应当关闭。
在一个实施例中，燃烧系统100利用传感器阵列114、控制器116、致动器118、和显示器120，以便监测和解决在燃烧系统100内的状况。特别地，传感器阵列114包括被配置成感测燃烧系统100的各种参数的多个传感器。传感器阵列114的传感器可以向控制器116提供传感器信号。控制器116接收传感器信号，识别在燃烧系统100内的状况，并控制致动器118以调节在燃烧系统100内的状况。传感器信号可以指示预热状态正在正常进行、转换到标准操作状态的时间已经到了、或者燃烧系统在标准操作状态下按预期操作。传感器信号还可以指示燃烧系统100的状况或部件的问题。控制器116可以响应于传感器信号，通过控制致动器118以物理调节燃烧系统100的部件或参数，来调节燃烧系统100的部件或状况。显示器120可以根据传感器信号指示在燃烧系统100内的当前状况，可以指示控制器116正在采取一个或更多个纠正动作，或者可以指示燃烧系统100的操作者应该操作一个或更多个手动控件123以便调节在燃烧系统100内的状况。
在一个实施例中，传感器阵列114包括预热火焰传感器124。预热火焰传感器124感测与在燃烧系统100的预热状态期间的预热火焰相关的参数。预热火焰传感器124向控制器116提供指示预热火焰的状况的传感器信号。基于由预热火焰传感器124提供的传感器信号，控制器116可以调节燃烧系统100的参数。
在一个实施例中，预热火焰传感器124检测在预热状态期间预热火焰是否存在。当燃烧系统100进入预热状态时，控制器116控制一个或更多个致动器118以使氧化剂源104将氧化剂输出到炉膛容积中。控制器116还可以控制致动器118来操作阀或其它机构，使得预热燃料源108能够将预热燃料供应给预热燃料分配器106。然后，控制器116可以使点燃机构(例如电火花器)点燃预热燃料和氧化剂，从而引发预热火焰。预热火焰传感器124感测在预热状态期间预热火焰是否存在。预热火焰传感器124向控制器116提供指示预热火焰是否存在的传感器信号。如果传感器信号指示预热火焰不存在，则控制器116可以采取行动，例如使点燃器生成额外的火花，以便点燃预热燃料和氧化剂。如果预热火焰传感器124指示预热火焰仍然不存在，则控制器116可以控制致动器118以试图使氧化剂源104供应氧化剂或试图使预热燃料源108向预热燃料分配器106供应预热燃料。接下来可以使点燃器生成额外的火花。如果传感器信号继续指示预热火焰不存在，则控制器116可以指示发生了系统故障，该系统故障要求关闭燃烧系统100，直到操作者可以检查氧化剂源104、预热燃料源108、预热燃料分配器106、连接预热燃料分配器106和预热燃料源108的阀、以及致动器118，以便识别和纠正这些部件的任何故障状况。然后，操作员可以检查各种部件并纠正任何问题。
在一个实施例中，预热火焰传感器124可以感测预热火焰的位置。例如，预热火焰可能存在并且可能不在期望的位置。传感器信号可以指示预热火焰太靠近穿孔火焰稳定器102或太远离穿孔火焰稳定器102，即太靠近预热燃料分配器106。响应于这些状况，控制器116可以通过增加或减少进入炉膛容积的氧化剂的流来调节进入炉膛容积的氧化剂的流。响应于这些状况，控制器116可以通过增大或减小预热燃料的流速，或者通过增大或减小预热燃料的速度，来调节预热燃料进入炉膛容积的流。通过调节氧化剂和预热燃料的流，控制器116可以调节预热火焰相对于穿孔火焰稳定器102的位置。
在一个实施例中，预热火焰传感器124可以指示预热火焰的温度。相比于对穿孔火焰稳定器102的预热所需的热量，预热火焰可以生成的更多或更少的热量。传感器信号可以通知控制器116预热火焰的温度。作为响应，控制器116可以调节氧化剂和预热燃料的流的参数，以便在预热状态期间调节预热火焰的温度。
在一个实施例中，预热火焰传感器124可以包括多个传感器。预热火焰传感器124可以包括火焰扫描器、火焰棒、温度传感器、图像捕获设备、火焰棒或用于检测预热火焰的存在和参数的其它类型的传感器中的一个或更多个。
在一个实施例中，传感器阵列114可以包括穿孔火焰稳定器传感器122。穿孔火焰稳定器传感器122可以监测穿孔火焰稳定器102的参数。穿孔火焰稳定器传感器122在预热状态进入标准操作状态期间感测穿孔火焰稳定器102的参数。穿孔火焰稳定器传感器122生成传感器信号并将其提供给控制器116。控制器116接收来自穿孔火焰稳定器传感器122的传感器信号，并且可以基于穿孔火焰稳定器102的状况采取行动来调节燃烧系统100的参数。
在一个实施例中，穿孔火焰稳定器传感器122包括温度传感器，该温度传感器被配置成在预热状态期间感测穿孔火焰稳定器102的温度。在预热状态期间，燃烧系统100支持被定位成将穿孔火焰稳定器102加热到操作温度的预热火焰。在整个预热状态中，穿孔火焰稳定器传感器122监测穿孔火焰稳定器102的温度。如果传感器信号指示穿孔火焰稳定器102还没有达到操作温度，则控制器116将燃烧系统100保持在预热状态，从而导致预热火焰继续加热并提高穿孔火焰稳定器102的温度。如果传感器信号指示穿孔火焰稳定器102已经达到操作温度，则控制器116可以使燃烧系统100转换到标准操作状态。
在一个实施例中，控制器116通过去除预热火焰使燃烧系统100转换到标准操作状态。控制器116可以通过使致动器118停止预热燃料源108向预热燃料分配器106供应预热燃料来移除预热火焰。控制器116可以通过关闭将预热燃料源108连接到预热燃料分配器106的一个或更多个阀，使预热燃料源108停止向预热燃料分配器106提供预热燃料。当预热燃料分配器106不再输出预热燃料时，预热火焰将熄灭。控制器116通过控制致动器118以打开使燃料能够从主燃料源112流向主燃料分配器110的一个或更多个阀来使主燃料源112向主燃料分配器110供应主燃料，从而继续从预热状态转换到标准操作状态。主燃料分配器110将主燃料输出到炉膛容积中。氧化剂源104在转换到标准操作状态期间继续将氧化剂输出到炉膛容积中。当主燃料和氧化剂朝向穿孔火焰稳定器102行进时它们混合。穿孔火焰稳定器102接收主燃料和氧化剂的混合物。因为穿孔火焰稳定器102已经达到操作温度，所以穿孔火焰稳定器102输出足以点燃在穿孔火焰稳定器102处的主燃料和氧化剂的混合物的热量。在标准操作状态下，穿孔火焰稳定器102支持至少部分地在穿孔火焰稳定器102内的主燃料和氧化剂的稳定燃烧反应。以这种方式，控制器116可以响应于来自穿孔火焰稳定器传感器122的传感器信号，使燃烧系统100从预热状态转换到标准操作状态。
在一个实施例中，穿孔火焰稳定器传感器122继续监测处于标准操作状态的穿孔火焰稳定器102，并向控制器116输出传感器信号。穿孔火焰稳定器传感器122可以检测穿孔火焰稳定器102内部和附近是否存在燃烧反应。如果穿孔火焰稳定器传感器122指示在穿孔火焰稳定器102处不存在主燃料和氧化剂的燃烧反应，则控制器116可以采取纠正动作。控制器116可以使致动器118调节或重新打开阀，该阀使得主燃料能够从主燃料源112流向主燃料分配器110。控制器116可以在显示器120上输出消息，指示操作者检查主燃料源112是否向主燃料分配器110供应主燃料，并在必要时通过操作手动控件123来采取纠正动作。如果在控制器116已经采取纠正动作之后，穿孔火焰稳定器传感器122指示不存在主燃料和氧化剂的燃烧反应，则控制器116可以使燃烧系统100进入故障状态，在该故障状态中，所有燃料源都关闭，使得主燃料和预热燃料都不输出到炉膛容积中。
在一个实施例中，穿孔火焰稳定器传感器122可以指示燃料和氧化剂的燃烧反应位于穿孔火焰稳定器102的下方或在其他不希望的位置。控制器116可以采取诸如调节主燃料的流、调节氧化剂的输出、或调节燃烧系统100的部件的参数的动作，以便调节主燃料和氧化剂的燃烧反应的位置。可选地，控制器116可以在显示器120上输出向燃烧系统100的操作者指示燃烧反应没有被穿孔火焰稳定器102正确地保持以及操作者应该采取纠正动作的消息。
在一个实施例中，穿孔火焰稳定器传感器122可以指示穿孔火焰稳定器102的温度已经下降到低于操作温度。在这种情况下，控制器116可以使燃烧系统100重新进入预热状态。另外，或者可选地，燃烧系统100可以包括与预热燃料分配器106和预热燃料源108分离的加热器。加热器可被定位成邻近穿孔火焰稳定器102或在穿孔火焰稳定器102上。如果穿孔火焰稳定器传感器122指示穿孔火焰稳定器102的温度低于操作温度，则控制器116可以激活加热器，以便将穿孔火焰稳定器102加热到操作温度。控制器116可以使主燃料分配器110再次输出主燃料，以便重新进入标准操作状态，在该标准操作状态下穿孔火焰稳定器102维持主燃料和氧化剂的燃烧反应。
在一个实施例中，穿孔火焰稳定器传感器122包括以下中的一个或更多个：火焰扫描器、火焰棒、温度传感器、可见光传感器、红外光传感器、紫外光传感器、电容层析成像设备、捕获可见光光谱、红外光光谱、或紫外光光谱中的一个或更多个的图像的图像捕获设备、或能够检测燃烧反应的参数的任何其他类型的传感器。穿孔火焰稳定器传感器122可以包括相同类型的多个传感器。穿孔火焰稳定器传感器122可以包括不同类型的多个传感器，例如上述传感器。因此，虽然图1指示单个穿孔火焰稳定器传感器122，但是穿孔火焰稳定器传感器122可以包括不同种类或相同种类的多个单独传感器。
在一个实施例中，如果预热火焰传感器124和穿孔火焰稳定器传感器122都没有指示预热火焰或燃烧反应的存在，则控制器116可以使所有燃料停止流入炉膛容积。
在一个实施例中，预热火焰传感器124包括以下中的一个或更多个：火焰扫描器、火焰棒、温度传感器、可见光传感器、红外光传感器、紫外光传感器、电容层析成像设备、捕获可见光光谱、红外光光谱、或紫外光光谱中的一个或更多个的图像的图像捕获设备、或能够检测燃烧反应的参数的任何其他类型的传感器。预热火焰传感器124可以包括相同类型的多个传感器。预热火焰传感器124可以包括不同类型的多个传感器，例如上述传感器。因此，虽然图1指示单个预热火焰传感器124，但是预热火焰传感器124可以包括不同种类或相同种类的多个单独传感器。
在一个实施例中，传感器阵列114包括除穿孔火焰稳定器传感器122和预热火焰传感器124之外的传感器。例如，传感器阵列114可以包括以下中的一个或更多个：桥墙温度传感器、co监测器、nox监测器、o2监测器、过程监测器、通风(draft)压力传感器、动态压传感器、压差传感器、或其它类型的传感器。一些传感器可以被包括在穿孔火焰稳定器传感器122或预热火焰传感器124中。传感器阵列114的所有传感器向控制器116提供控制信号。控制器116可以响应于来自传感器阵列114的各种传感器的传感器信号而采取行动以调节燃烧系统100中的状况。
在一个实施例中，控制器116包括非暂时性计算机可读介质和一个或更多个处理器。非暂时性计算机可读介质可以包括一个或更多个存储器，并存储以软件编码的用于控制燃烧系统100的指令。一个或更多个处理器可以被配置为执行该指令。指令可以包括与燃烧系统100的各种操作状况相关的数据。指令可以包括与故障或不希望的操作状况以及适当的或希望的操作状况相关的数据。指令可以包括由控制器116响应于控制器116接收的传感器信号而采取的动作。这些动作可包括通过使致动器118调节、激活、或去激活燃烧系统100的各种部件来调节燃烧系统100的状况。控制器116采取的动作还可以包括向显示器120输出消息。消息可以包括指示燃烧系统100的当前状况的数据。这些消息还可以包括提示燃烧系统100的操作者来采取各种动作以维持或调节燃烧系统100的状况的数据。消息可以包括批准由控制器116提议的调节或维持燃烧系统100中的状况的动作的提示。控制器116还可以经由有线或无线连接向一个或更多个其他计算系统输出数据。数据可以包括与燃烧系统100的当前状况相关的数据、与控制器116采取的动作相关的数据、与控制器116提议的动作相关的数据，或者给燃烧系统100的操作者采取动作或者批准提议的动作的提示。
在一个实施例中，软件指令包括一个或更多个算法、状态图、决策树、或控制器116通过其做出调节燃烧系统100的参数的决定的其他指令。控制器116还可以包括状态机，该状态机响应于传感器信号确定控制器116将采取的动作。
在一个实施例中，致动器118包括能够控制、调节、或以其他方式影响燃烧系统100的物理部件的机构。致动器118可包括马达、激励器、电开关、电连接器、电发射器、或可物理地影响或操纵燃烧系统100的部件的其它类型的机构。例如，致动器118可以包括马达或开关，以用于物理地打开、关闭、或以其他方式调节控制燃料或氧化剂流入炉膛容积的阀。致动器118可以包括控制烟道风门的运动的机构。致动器118可包括激活点燃器以点燃预热火焰或主燃烧反应的机构。致动器118可以包括通过增加或降低预热燃料或主燃料的各种组分的浓度来调节预热燃料或主燃料中包括的燃料混合物的机构。致动器118可以包括用于调节、激活、或激活氧化剂源104的机构。除上述机构之外，致动器118可以包括用于物理操纵燃烧系统100的部件的的其它类型的机构。这些其它类型的机构还可以包括未在图1中示出或未在本文明确描述的用于控制燃烧系统100的部件的机构。
在一个实施例中，手动控件123使得燃烧系统100的操作者能够物理地操纵燃烧系统100的部件，以便调节燃烧系统100的状况。手动控件123可以包括开关、按钮、转盘(dial)、操作杆、小键盘(keypad)、触摸屏、键盘(keyboard)、或能够使操作者操纵燃烧系统100的部件的其他类型的机构。手动控件123可以包括用于打开和关闭阀的手动设备。手动控件123可以包括阀本身。手动控件123可使操作者能够激活、去激活、或调节氧化剂源104、主燃料源112、预热燃料源108、主燃料分配器110、预热燃料分配器106、点燃器、加热器、烟道风门、或燃烧系统100的任何其它部件。
在一个实施例中，手动控件123可以控制致动器118。手动控件123可以控制能够由控制器116控制的一些或全部相同的致动器118。手动控件123还可以控制不能由控制器116控制的致动器118。在一些情况下，手动控件123包括一些或全部致动器118。在一个实施例中，手动控件123使得操作者能够完全关闭燃烧系统100或者超控控制器116采取的动作。
图2是根据实施例的燃烧器系统200的简化图，该燃烧器系统200包括被配置成保持燃烧反应的穿孔火焰稳定器102。如本文所用，术语穿孔火焰稳定器、穿孔反应稳定器、多孔火焰稳定器、多孔反应稳定器、双工器(duplex)、和双工砖(duplextile)应视为同义词，除非提供了其他定义。
发明人进行的实验已经表明，本文描述的穿孔火焰稳定器102可以支持非常干净的燃烧。具体而言，在燃烧器系统200的从中试规模到全规模的实验性使用中，氮氧化物(nox)的输出被测量为从百万分之(ppm)低单数位到对在烟道处的nox的不可检测(小于1ppm)的浓度。这些显著的结果是在工业炉应用中典型的烟道温度(1400-1600°f)下在3％(干)氧(o2)浓度下、不可检测到的一氧化碳(co)测得的。此外，这些结果不需要任何特殊措施，例如选择性催化还原(scr)、选择性非催化还原(sncr)、水/蒸汽喷射、外部烟道气再循环(fgr)、或者对于传统燃烧器甚至接近这种清洁燃烧可能需要的其他极端措施。
根据实施例，燃烧器系统200包括被设置成将燃料和氧化剂输出到燃烧体积204中以形成燃料和氧化剂混合物206燃料和氧化剂源202。如本文所用，术语燃料和氧化剂混合物以及燃料流可以互换使用，并且视上下文而定被认为是同义的，除非提供了其他的定义。如本文所用，术语燃烧体积、燃烧室、炉膛容积等应被认为是同义的，除非提供了其他的定义。穿孔火焰稳定器102被设置在燃烧体积204中，并被定位成接收燃料和氧化剂混合物206。
图3是根据实施例的图1和图2中的穿孔火焰稳定器102的一部分的侧视截面图300。参照图2和图3，穿孔火焰稳定器102包括穿孔火焰稳定器主体208，该穿孔火焰稳定器主体208限定了多个穿孔210，该多个穿孔210对齐以接收来自燃料和氧化剂源202的燃料和氧化剂混合物206。如本文所用，术语穿孔、多孔、孔隙、细长孔隙等在穿孔火焰稳定器102的上下文中应被认为是同义的，除非提供了其他的定义。穿孔210被配置成共同保持由燃料和氧化剂混合物206支持的燃烧反应302。
燃料可以包括氢气、碳氢化合物气体、汽化碳氢化合物液体、雾化碳氢化合物液体、或粉末状或粉碎的固体。燃料可以是单一种类，或者可以包括气体、蒸汽、雾化液体、和/或粉碎固体的混合物。例如，在工艺加热器应用中，燃料可包括燃料气体或工艺副产物，包括一氧化碳(co)、氢气(h2)、和甲烷(ch4)。在其他应用中，燃料可以包括天然气(主要是ch4)或丙烷(c3h8)。在另一应用中，燃料可包括#2燃料油或#6燃料油。发明人类似地考虑了双燃料应用和柔性燃料应用。氧化剂可以包括由空气、烟道气携带的氧气，和/或可以包括另一氧化剂，或者纯的氧化剂或者由载气携带的氧化剂。术语氧化剂(oxidant)和氧化剂(oxidizer)在本文应被视为同义词。
根据实施例，穿孔火焰稳定器主体208可以由被设置成接收燃料和氧化剂混合物206的输入面212、背向燃料和氧化剂源202的输出面214、以及限定穿孔火焰稳定器102的横向范围的外周表面216界定。由穿孔火焰稳定器主体208限定的多个穿孔210从输入面212延伸到输出面214。多个穿孔210可以在输入面212处接收燃料和氧化剂混合物206。燃料和氧化剂混合物206然后可以在多个穿孔210中或附近燃烧，并且燃烧产物可以在输出面214处或附近离开多个穿孔210。
根据实施例，穿孔火焰稳定器102被配置成将燃烧反应302的大部分保持在穿孔210内。例如，在稳态基础上，由燃料和氧化剂源202输出到燃烧体积204中的超过一半的燃料分子可被转变成在穿孔火焰稳定器102的输入面212和输出面214之间的燃烧产物。根据可选的解释，燃烧反应302输出的热量或热能量的一半以上可以在穿孔火焰稳定器102的输入面212和输出面214之间被输出。如本文所用，术语“热量(heat)”、“热能(heatenergy)”、和“热能量(thermalenergy)”应被视为同义词，除非提供了其他的定义。如上所述，热能和热能量通常是指在燃烧反应302期间释放的反应物最初保持的化学能量。如本文其他地方所使用的，热量、热能和热能量对应于以热容量为特征的真实物体所经历的可检测的温度上升。在标称操作状况下，穿孔210可被配置成共同保持在穿孔火焰稳定器102的输入面212和输出面214之间的燃烧反应302的至少80％。在一些实验中，发明人引起了燃烧反应302，该燃烧反应302显然完全被包含在穿孔火焰稳定器102的输入面212和输出面214之间的穿孔210中。根据可选的解释，当燃烧是“时间平均的”时，穿孔火焰稳定器102可以支持在输入面212和输出面214之间的燃烧。例如，在瞬变期间，例如在穿孔火焰稳定器102被完全加热之前，或者如果在系统上被放置过高的(冷却)负载，则燃烧可能从穿孔火焰稳定器102的输出面214稍微向下游行进。可选地，如果冷却负载相对较低和/或炉温达到高水平，则燃烧可在穿孔火焰稳定器102的输入面212的稍微向上游行进。
虽然“火焰”是以易于描述的方式描述的，但是应该理解，在某些情况下，不存在可见的火焰。燃烧主要发生在穿孔210内，但是燃烧热量的“辉光”由穿孔火焰稳定器102本身的可见辉光控制。在其它情况下，发明人注意到瞬时“吹气(huffing)”或“回火”，其中可见火焰在稀释区域dd内位于穿孔火焰稳定器102的输入面212和燃料喷嘴218之间的区域中瞬间点燃。这种瞬时吹气或回火通常持续时间短，使得在时间平均的基础上，燃烧的大部分发生在穿孔火焰稳定器102的穿孔210内、在输入面212和输出面214之间。在另一些情况下，发明人已经注意到在穿孔火焰稳定器102的输出面214下游发生明显的燃烧，但是仍然有大部分燃烧发生在穿孔火焰稳定器102内，这由观察到的穿孔火焰稳定器102的持续可见辉光来证明。
穿孔火焰稳定器102可被配置成接收来自燃烧反应302的热量，并将接收到的热量的一部分作为热辐射304输出到燃烧体积204中或邻近燃烧体积204的热量接收结构(例如，炉壁和/或辐射段工作流体管)。如本文所用，术语如“辐射”、“热辐射(thermalradiation)”、“辐射热”、“热辐射(heatradiation)”等将被解释为基本上同义，除非提供了其他的定义。具体而言，这些术语指的是电磁能量的黑体型辐射，主要是红外波长，但由于穿孔火焰稳定器主体208的温度升高，也是可见波长。
特别参考图3，穿孔火焰稳定器102将接收到的热量的另一部分输出到在穿孔火焰稳定器102的输入面212处接收到的燃料和氧化剂混合物206。穿孔火焰稳定器主体208可至少在穿孔壁308的热量接收区域306中接收来自燃烧反应302的热量。实验证据已经向发明人暗示，热量接收区域306的位置或者至少对应于最大热量接收速率的位置，可以沿着穿孔壁308的长度变化。在一些实验中，最大接收热量的位置显然在从输入面212到输出面214的距离的1/3到1/2之间(即，相比于靠近输出面214更靠近输入面212)。发明人设想，在其它状况下，接收热量区域306可以更靠近穿孔火焰稳定器102的输出面214。最有可能的是，热量接收区域306(或者就此而言，热量输出区域310，如下所述)没有明确限定的边缘。为了便于理解，热量接收区域306和热量输出区域310将被描述为特定区域306、310。
穿孔火焰稳定器主体208的特征可以在于热容量。穿孔火焰稳定器主体208可保持来自燃烧反应302的热能量，其量对应于热容量乘以温度上升，并将热能量从热量接收区域306传递到穿孔壁308的热量输出区域310。通常，热量输出区域310比热量接收区域306更靠近输入面212。根据一种解释，穿孔火焰稳定器主体208可以经由热辐射(图示为304)将热量从热量接收区域306传递到热量输出区域310。根据另一种解释，穿孔火焰稳定器主体208可以经由沿着热传导路径312的热传导将热量从热量接收区域306传递到热量输出区域310。发明人设想，包括传导、辐射、和可能的对流的多个热传递机制可操作用于将热量从热量接收区域306传递到热量输出区域310。以这种方式，穿孔火焰稳定器102可以用作热源来维持燃烧反应302，即使在燃烧反应302在由传统火焰稳定器支持时不稳定的情况下也是如此。
发明人相信穿孔火焰稳定器102使得燃烧反应302在邻近穿孔210的壁308形成的热边界层314内开始。只要燃烧通常被理解为包括大量单独的反应，并且由于大部分燃烧能量在穿孔火焰稳定器102内释放，因此显然至少大部分单独的反应发生在穿孔火焰稳定器102内。当相对较冷的燃料和氧化剂混合物206接近输入面212时，流被分成分别穿过各个穿孔210的部分。热穿孔火焰稳定器主体208将热量传递给流体，特别是在热边界层314内，随着越来越多的热量被传递给进入的燃料和氧化剂混合物206，热边界层314逐渐变厚。在达到燃烧温度(例如，燃料的自燃温度)之后，反应物在化学点火延迟时间流逝的同时继续流动，在该时间内发生燃烧反应302。因此，燃烧反应302被显示为发生在热边界层314内。随着流动的进行，热边界层314在合并点316处合并。理想地，合并点316位于限定穿孔210的端部的输入面212和输出面214之间。在沿着穿孔210的长度的某个位置处，燃烧反应302向穿孔火焰稳定器主体208输出的热量多于其从穿孔火焰稳定器主体208接收的热量。热量在热量接收区域306处被接收，由穿孔火焰稳定器主体208保持，并且被传送到更靠近输入面212的热量输出区域310，在热量输出区域310处热量被传递到冷却反应物(以及任何包含的稀释剂)中，以将反应物带到点燃温度。
在实施例中，穿孔210中的每一个的特征在于长度l，该长度l限定为在穿孔火焰稳定器102的输入面212和输出面214之间的反应流体传播路径长度。如本文所用，术语反应流体是指穿过穿孔210的物质。在输入面212附近，反应流体包括燃料和氧化剂混合物206(可选地包括氮气、烟道气、和/或其它“非反应性”物质)。在燃烧反应区域内，反应流体可包括与燃烧反应302相关联的等离子体、反应物的分子及其组成部分、任何非反应性物质、反应中间体(包括过渡状态)、和反应产物。在输出面214附近，反应流体可包括反应产物和副产物、非反应性气体、和过量氧化剂。
多个穿孔210各自的特征可以在于相对的穿孔壁308之间的横向尺寸d。发明人已经发现，如果每个穿孔210的长度l至少是穿孔210的横向尺寸d的四倍，则在穿孔火焰稳定器102中可以保持稳定燃烧。在其它实施例中，长度l可以大于横向尺寸d的六倍。例如，已经进行了实验，其中l是横向尺寸d的至少八倍、至少十二倍、至少十六倍、和至少二十四倍。优选地，长度l足够长，以便热边界层314在流经穿孔210的反应流体中邻近穿孔壁308形成，从而在穿孔火焰稳定器102的输入面212和输出面214之间的穿孔210内的合并点316处汇集。在实验中，发明人发现在12和48之间的l/d比可以很好地工作(即，产生低nox，产生低co，并保持稳定燃烧)。
穿孔火焰稳定器主体208可被配置成在相邻穿孔210之间输送热量。在相邻穿孔210之间输送的热量可以被选择成使得从第一穿孔210中的燃烧反应部分302输出的热量供应热量以稳定在相邻穿孔210中的燃烧反应部分302。
特别参考图2，燃料和氧化剂源202还可以包括被配置成输出燃料的燃料喷嘴218和被配置成输出包括氧化剂的流体的氧化剂源220。例如，燃料喷嘴218可被配置成输出纯燃料。氧化剂源220可被配置成输出携带氧气的燃烧空气，以及可选地输出烟道气。
穿孔火焰稳定器102可由穿孔火焰稳定器支持结构222保持，该穿孔火焰稳定器支持结构222被配置成将穿孔火焰稳定器102保持在远离燃料喷嘴218的稀释距离dd处。燃料喷嘴218可被配置成当燃料射流和氧化剂沿着到穿孔火焰保持器102的路径行进通过在燃料喷嘴218和穿孔火焰稳定器102之间的稀释距离dd时射出被选择为夹带氧化剂以形成燃料和氧化剂混合物206的燃料射流。附加地或可选地(特别是当鼓风机用于输送被包含在燃烧空气中的氧化剂时)，氧化剂或燃烧空气源可被配置成夹带燃料，并且燃料和氧化剂行进通过稀释距离dd。在一些实施例中，可以提供烟道气再循环路径224。附加地，或者可选地，燃料喷嘴218可以被配置成当燃料射流行进通过在燃料喷嘴218和穿孔火焰稳定器102的输入面212之间的稀释距离dd时，射出被选择成夹带氧化剂和夹带烟道气的燃料射流。
燃料喷嘴218可以被配置成射出通过一个或更多个燃料喷孔226射出燃料，燃料喷孔226具有被称为“喷嘴直径”内径尺寸。穿孔火焰稳定器支持结构222可以支持穿孔火焰稳定器102，以在距离燃料喷嘴218大于喷嘴直径20倍的距离dd处接收燃料和氧化剂混合物206。在另一实施例中，穿孔火焰稳定器102被设置成在距离燃料喷嘴218的在喷嘴直径的100倍和1100倍之间的距离dd处接收燃料和氧化剂混合物206。优选地，穿孔火焰稳定器支持结构222配置成将穿孔火焰稳定器102保持在远离燃料喷嘴218的喷嘴直径的大约200倍或更多的距离处。当燃料和氧化剂混合物206行进约200倍喷嘴直径或更大时，混合物被充分均匀化，以使燃烧反应302产生最小的nox。
根据实施例，燃料和氧化剂源202可以可选地包括预混合燃料和氧化剂源。预混合燃料和氧化剂源可包括预混合室(未示出)、配置成将燃料输出到预混合室中的燃料喷嘴、以及配置成将氧化剂输出到预混合室中的氧化剂(例如燃烧空气)通道。阻火器可以被设置在预混合燃料和氧化剂源与穿孔火焰稳定器102之间，并被配置成防止火焰回火进入预混合燃料和氧化剂源。
氧化剂源220，无论是被配置成用于在燃烧体积204中夹带还是用于预混合，都可以包括配置成迫使氧化剂通过燃料和氧化剂源202的鼓风机。
穿孔火焰稳定器支持结构222可被配置成例如从燃烧体积204的地板或壁(未示出)支持穿孔火焰稳定器102。在另一实施例中，穿孔火焰稳定器支持结构222支持穿孔火焰稳定器102离开燃料和氧化剂源202。可选地，穿孔火焰稳定器支持结构222可以将穿孔火焰稳定器102悬挂在顶上部结构(例如，在向上点燃系统的情况下是烟道)上。穿孔火焰稳定器支持结构222可以在各种取向和方向上支持穿孔火焰稳定器102。
穿孔火焰稳定器102可以包括单个穿孔火焰稳定器主体208。在另个实施例中，穿孔火焰稳定器102可以包括多个相邻的穿孔火焰稳定器部分，该多个相邻的穿孔火焰稳定器部分共同提供平铺的穿孔火焰稳定器102。
穿孔火焰稳定器支持结构222可被配置成支持多个穿孔火焰稳定器部分。穿孔火焰稳定器支持结构222可包括金属超合金、渗碳体(cementatious)、和/或陶瓷耐火材料。在实施例中，多个相邻的穿孔火焰稳定器部分可以用纤维增强耐火水泥连接。
穿孔火焰稳定器102可以具有在外周表面216的相对侧之间的宽度尺寸w，该宽度尺寸w至少是输入面212和输出面214之间的厚度尺寸t的两倍。在另一实施例中，穿孔火焰稳定器102可以具有在外周表面216的相对侧之间的宽度尺寸w，该宽度尺寸w是穿孔火焰稳定器102的输入面212和输出面214之间的厚度尺寸t的至少三倍、至少六倍、或至少九倍。
在实施例中，穿孔火焰稳定器102可以具有小于燃烧体积204的宽度的宽度尺寸w。这可以允许从穿孔火焰稳定器102上方到下方的烟道气再循环路径224位于穿孔火焰稳定器102的外周表面216和燃烧体积壁(未示出)之间。
再次参考图2和图3，穿孔210可以是各种形状。在实施例中，穿孔210可以包括细长的方形，每个细长的方形在方形的相对侧之间具有横向尺寸d。在另一实施例中，穿孔210可以包括细长的六边形，每个细长的六边形在六边形的相对侧之间具有横向尺寸d。在又一实施例中，穿孔210可包括中空圆柱体，每个中空圆柱体具有对应于圆柱体的直径的横向尺寸d。在另一实施例中，穿孔210可以包括截头圆锥或截头棱锥(例如截头锥体)，每个截头圆锥或截头棱锥具有相对于从输入面212延伸到输出面214的长度轴径向对称的横向尺寸d。在一些实施例中，基于标准参考条件，穿孔210可各自具有等于或大于火焰的淬熄距离的横向尺寸d。可选地，穿孔210可以具有小于标准参考淬熄距离的横向尺寸d。
在实施例一个范围中，多个穿孔210中的每一个具有在0.05英寸至1.0英寸之间的横向尺寸d。优选地，多个穿孔210中的每一个具有在0.1英寸和0.5英寸之间的横向尺寸d。例如，多个穿孔210可各自具有约0.2英寸至0.4英寸的横向尺寸d。
穿孔火焰稳定器102的空隙率被定义为穿孔火焰稳定器102的一部分中的所有穿孔210的总体积除以包括穿孔火焰稳定器主体208和穿孔210的穿孔火焰稳定器102的总体积。穿孔火焰稳定器102应具有介于0.10和0.90之间的空隙率。在实施例中，穿孔火焰稳定器102可以具有介于0.30和0.80之间的空隙率。在另一实施例中，穿孔火焰稳定器102可具有约0.70的空隙率。发现使用约0.70的空隙率对于产生非常低的nox特别有效。
穿孔火焰稳定器102可由纤维增强铸造耐火材料和/或耐火材料(如硅酸铝材料)形成。例如，穿孔火焰稳定器102可以形成为包括莫来石或堇青石。附加地，或可选地，穿孔火焰稳定器主体208可以包括金属超合金，例如铬镍铁合金或哈氏合金。穿孔火焰稳定器主体208可以限定蜂窝(honeycomb)。蜂窝是一个工业术语，其不一定严格地指六边形横截面，且最通常包括方形横截面的单元。其它横截面面积的蜂窝也是已知的。
发明人已经发现穿孔火焰稳定器102可以由
穿孔210可以彼此平行并且垂直于输入面212和输出面214。在另一实施例中，穿孔210可以彼此平行，并且相对于输入面212和输出面214形成一定角度。在另一实施例中，穿孔210可以彼此不平行。在另一实施例中，穿孔210可以彼此不平行且不相交。在另一实施例中，穿孔210可以是交错的。穿孔火焰稳定器主体208可以是一个整体，或者可以由多个部分形成。
在另一实施例中，穿孔火焰稳定器102可以由网状陶瓷材料形成，这不是必须优选的。术语“网状”是指网状结构。网状陶瓷材料通常是通过将浆料溶解在具有特定孔隙率的海绵中使浆料硬化并且烧掉海绵及固化陶瓷而制成的。
在另一实施例中，穿孔火焰稳定器102可以由已经被冲压、钻孔或铸造以形成通道的陶瓷材料形成，这不是必须优选的。
在另一实施例中，穿孔火焰稳定器102可包括捆绑在一起的多个管或多个导管。多个穿孔210可以包括中空圆柱体，并且可选地还可以包括在捆绑管之间的间隙空间。在实施例中，多个管可以包括陶瓷管。耐火水泥可以被包含在管之间，并被配置成将管粘合在一起。在另一实施例中，多个管可以包括金属(例如超合金)管。多个管可以由围绕多个管并且布置成将多个管保持在一起的金属张紧构件保持在一起。金属张紧构件可包括不锈钢、超合金金属线、和/或超合金金属带。
穿孔火焰稳定器主体208可选地可以包括堆叠的穿孔材料片，每个片具有与下片和上片的开口连接的开口。穿孔片可包括穿孔金属片、陶瓷片和/或膨胀片。在另一实施例中，穿孔火焰稳定器主体208可以包括不连续填料体(discontinuouspackingbodies)，使得穿孔210形成在不连续填料体之间的间隙空间中。在一个示例中，不连续填料体包括结构化填料形状。在另一示例中，不连续填料体包括随机填料形状。例如，不连续填料体可包括陶瓷拉西环、陶瓷贝尔鞍环(berlsaddles)、陶瓷矩鞍形填料(intaloxsaddles)、和/或金属环或可由金属笼保持在一起的其它形状(例如，超级拉西环)。
发明人考虑了各种解释，解释了为什么包括穿孔火焰稳定器102的燃烧器系统提供这种清洁燃烧。
根据实施例，穿孔火焰稳定器102可以用作热源，从而即使在燃烧反应在由传统火焰稳定器支持时不稳定的情况下也维持燃烧反应。这种能力可以被利用来使用比通常可行的更稀薄的燃料-氧化剂混合物来支持燃烧。因此，根据实施例，在燃料流206接触穿孔火焰稳定器102的输入面212的时刻处，燃料流206的平均燃料-氧化剂比率低于燃料流206的燃料组分的(常规)燃烧下限，该燃烧下限定义了燃料和氧化剂混合物206在正常大气压和25℃(77°f)的环境温度下暴露于瞬时点燃源时将燃烧的燃料的最低浓度。
发现穿孔火焰稳定器102和包括本文描述的穿孔火焰稳定器102的系统提供co的基本完全燃烧(根据实验条件，单数位ppm下降至不可检测)，同时支持低nox。根据一种解释，由于用于降低峰值火焰温度的充分混合(以及其他策略)，这种性能可以被实现。火焰温度往往在稍浓的条件下达到峰值，这在任何未充分混合的扩散火焰中都可以明显看出。通过充分混合，可以在燃烧之前实现均匀且稍微稀薄的混合物。这种组合可导致火焰温度降低，从而减少nox的形成。在一个实施例中，“稍微稀薄”可以指3％的o2，即当量比约0.87。使用更稀薄的混合物是可能的，但可能会导致o2水平升高。此外，发明人相信穿孔壁308可以用作对于燃烧流体的散热器。这种效果可选地或附加地降低燃烧温度并降低nox。
根据另一种解释，如果燃烧反应302在非常短的持续时间内发生，则nox的产生可以减少。快速燃烧导致反应物(包括氧气和夹带的氮气)暴露于nox形成温度的时间太短，以至于nox形成动力学不会导致nox的大量产生。与常规火焰相比，反应物穿过穿孔火焰稳定器102所需的时间是非常短的。因此，与穿孔火焰稳定器燃烧相关联的低nox产生可能与反应物(和夹带的氮气)穿过穿孔火焰稳定器102所需的短持续时间有关。
图4是示出用于操作燃烧器系统的方法400的流程图，该燃烧器系统包括本文示出和描述的穿孔火焰稳定器。为了操作包括穿孔火焰稳定器的燃烧器系统，穿孔火焰稳定器首先被加热到足以维持燃料和氧化剂混合物燃烧的温度。
根据简化的描述，方法400从步骤402开始，其中穿孔火焰稳定器被预热到启动温度ts。在穿孔火焰稳定器升高到启动温度之后，该方法进行到步骤404，其中燃料和氧化剂被提供给穿孔火焰稳定器，以及燃烧由穿孔火焰稳定器保持。
根据更详细的描述，步骤402从步骤406开始，其中在穿孔火焰稳定器处提供启动能量。同时或在提供启动能量之后，判定步骤408确定穿孔火焰稳定器的温度t是否处于或高于启动温度ts。只要穿孔火焰稳定器的温度低于其启动温度，该方法就在预热步骤402内的步骤406和408之间循环。在判定步骤408中，如果穿孔火焰稳定器的至少预定部分的温度t大于或等于启动温度，则方法400进行到总体步骤404，其中燃料和氧化剂被供应到穿孔火焰稳定器并由穿孔火焰稳定器保持燃烧。
步骤404可以分解成几个离散的步骤，其中至少一些步骤可以同时发生。
从判定步骤408开始，燃料和氧化剂混合物被提供给穿孔火焰稳定器，如步骤410中所示。燃料和氧化剂可以由燃料和氧化剂源提供，燃料和氧化剂源包括例如单独的燃料喷嘴和氧化剂(例如，燃烧空气)源。在这种方法中，燃料和氧化剂在被选择成使得燃料和氧化剂混合物被穿孔火焰稳定器的输入面接收的一个或更多个方向上被输出。燃料可以夹带燃烧空气(或者可选地，燃烧空气可以稀释燃料)，以在燃料稀释时在穿孔火焰稳定器的输入面处提供燃料和氧化剂混合物，该燃料稀释被选择用于可以被保持在穿孔火焰稳定器的穿孔内的稳定燃烧反应。
前进到步骤412，燃烧反应由穿孔火焰稳定器保持。
在步骤414中，热量可以从穿孔火焰稳定器输出。例如，从穿孔火焰稳定器输出的热量可用于为工业过程提供动力、加热工作流体、发电、或提供动力。
在可选步骤416中，可以感测燃烧的存在。发明人已经使用并设想了各种感测方法。通常，穿孔火焰稳定器保持的燃烧非常稳定，并且对系统没有不寻常的感测要求。燃烧感测可以使用红外传感器、视频传感器、紫外传感器、带电物质传感器、热电偶、热电堆、火焰棒、和/或其他燃烧感测装置来执行。在步骤416的附加或替代变型中，可以提供引燃火焰或其它点燃源，以在穿孔火焰稳定器处燃烧损失的情况下引起燃料和氧化剂混合物的点燃。
前进到判定步骤418，如果感测到燃烧不稳定，则方法400可以退出到步骤424，在步骤424中执行错误过程。例如，错误过程可包括关闭燃料流、重新执行预热步骤402、输出警报信号、点燃备用燃烧系统、或其它步骤。如果在判定步骤418中，穿孔火焰稳定器中的燃烧被确定为稳定，则方法400前进到判定步骤420，其中确定燃烧参数是否应该被改变。如果燃烧参数不被改变，则该方法循环(在步骤404内)回到步骤410，并且燃烧过程继续。如果被指示为燃烧参数改变，则方法400前进到步骤422，其中燃烧参数的改变被执行。在改变燃烧参数之后，该方法循环(在步骤404内)回到步骤410，并且燃烧继续。
例如，如果遇到热量需求的变化，燃烧参数可以被安排改变。例如，如果需要更少的热量(例如，由于减少的电力需求、减少的动力需求、或更低的工业过程吞吐量)，则在步骤422中可以降低燃料和氧化剂的流速。相反，如果热量需求增加，那么燃料和氧化剂流可能会增加。附加地，或者可选地，如果燃烧系统处于启动模式，则在步骤404内，通过一个或更多个循环迭代，燃料和氧化剂流可以逐渐被增加到穿孔火焰稳定器。
再次参考图2，燃烧器系统200包括可操作地耦合到穿孔火焰稳定器102的加热器228。如结合图3和图4所述，穿孔火焰稳定器102通过向进入的燃料和氧化剂混合物206输出热量来进行操作。在燃烧建立之后，该热量由燃烧反应302提供；但是在燃烧建立之前，热量由加热器228提供。
发明人已经使用并设想了各种加热装置。在一些实施例中，加热器228可包括火焰稳定器，该火焰稳定器被配置成支持被设置成加热穿孔火焰稳定器102的火焰。燃料和氧化剂源202可包括配置成射出燃料流206的燃料喷嘴218和被配置成邻近燃料流206输出氧化剂(例如燃烧空气)的氧化剂源220。燃料喷嘴218和氧化剂源220可以被配置成输出燃料流206，以被氧化剂(例如燃烧空气)逐渐稀释。穿孔火焰稳定器102可以被设置成接收稀释的燃料和氧化剂混合物206，当穿孔火焰稳定器102处于操作温度时，该穿孔火焰稳定器102支持由穿孔火焰稳定器102稳定的燃烧反应302。相比之下，启动火焰稳定器可以被配置成在对应于相对未混合的燃料和氧化剂混合物的位置处支持启动火焰，该相对未混合的燃料和氧化剂混合物在没有由加热的穿孔火焰稳定器102提供的稳定性的情况下是稳定的。
燃烧器系统200还可以包括控制器230，控制器230可操作地耦合到加热器228和数据接口232。例如，控制器230可以被配置为控制启动火焰稳定器致动器，该启动火焰稳定器致动器被配置为当穿孔火焰稳定器102需要预热时使启动火焰稳定器保持启动火焰，并且当穿孔火焰稳定器102处于操作温度时(例如，当t≥ts时)不保持启动火焰。
用于激励启动火焰的各种方法被设想到。在一个实施例中，启动火焰稳定器包括机械致动的阻流体，该机械致动的阻流体被配置成被致动以拦截燃料和氧化剂混合物206，从而引起热循环和/或稳定涡流，并从而保持启动火焰；或者被致动以不拦截燃料和氧化剂混合物206，从而使燃料和氧化剂混合物206前进到穿孔火焰稳定器102。在另一实施例中，燃料控制阀、鼓风机、和/或风门可以被用于选择足够低的燃料和氧化剂混合物流速，以使启动火焰喷射稳定；并且在达到穿孔火焰稳定器102的操作温度时，流速可以被增加以“吹灭(blowout)”启动火焰。在另一实施例中，加热器228可以包括电源，该电源可操作地耦合到控制器230，并被配置为向燃料和氧化剂混合物206施加电荷或电压。导电启动火焰稳定器可选择性地耦合到被选择来吸引燃料和氧化剂混合物206中的电荷的电压接地或其它电压。发明人发现对电荷的吸引导致启动火焰被导电启动火焰稳定器保持。
在另一实施例中，加热器228可以包括电阻加热器，该电阻加热器被配置为向穿孔火焰稳定器102和/或燃料和氧化剂混合物206输出热量。电阻加热器228可被配置为将穿孔火焰稳定器102加热到操作温度。电阻加热器228还可以包括电源和开关，该开关在控制器230的控制下可操作以选择性地将电源耦合到电阻加热器228。
电阻加热器228可以以各种方式形成。例如，电阻加热器228可以由
其它形式的启动装置被设想到。例如，加热器228可以包括被配置为向氧化剂和燃料输出脉冲点燃的放电点燃器或热表面点燃器。附加地，或者可选地，启动装置可以包括引燃火焰装置，该引燃火焰装置被设置成点燃将以其他方式进入穿孔火焰稳定器102燃料和氧化剂混合物206。放电点燃器、热表面点燃器、和/或引燃火焰装置可操作地被耦合到控制器230，这可使放电点燃器或引燃火焰装置在穿孔火焰稳定器102被充分加热以维持燃烧之前，维持燃料和氧化剂混合物206在穿孔火焰稳定器102中或在其上游燃烧。
燃烧器系统200还可以包括可操作地耦合到控制电路230的传感器234。传感器234可以包括热传感器，该热传感器被配置为检测穿孔火焰稳定器102的红外辐射或温度。控制电路230可以被配置成响应于来自传感器234的输入来控制加热装置228。可选地，燃料控制阀236可操作地耦合到控制器230，并被配置成控制燃料到燃料和氧化剂源202的流。附加地或可选地，氧化剂鼓风机或风门238可操作地耦合到控制器230，并被配置成控制氧化剂(或燃烧空气)的流。
传感器234还可以包括可操作地耦合到控制电路230的燃烧传感器，该燃烧传感器被配置成检测由穿孔火焰稳定器102保持的燃烧反应302的温度、视频图像、和/或光谱特性。燃料控制阀236可以被配置成控制从燃料源到燃料和氧化剂源202的燃料的流。控制器230可以被配置成响应于来自燃烧传感器234的输入来控制燃料控制阀236。控制器230可以被配置成控制燃料控制阀236和/或氧化剂鼓风机或风门238，以控制加热器228的预热火焰类型，从而将穿孔火焰稳定器102加热到操作温度。控制器230可以类似地控制燃料控制阀236和/或氧化剂鼓风机或风门238，以响应于经由数据接口232作为数据接收的热需求变化来改变燃料和氧化剂混合物206的流。
图5a是根据实施例的燃烧系统500的简化透视图，该燃烧系统500包括另一可选的穿孔火焰稳定器102。根据实施例，穿孔火焰稳定器102是网状陶瓷穿孔火焰稳定器。图5b是根据实施例的图5a的网状陶瓷穿孔火焰稳定器102的一部分的简化侧视截面图。根据实施例，图5a、图5b中的穿孔火焰稳定器102可以在本文描述的各种燃烧系统中被实现。穿孔火焰稳定器102配置成支持至少部分地在穿孔火焰稳定器102内的燃料和氧化剂混合物206的燃烧反应302。根据实施例，穿孔火焰稳定器102可被配置成在网状陶瓷穿孔火焰稳定器102的上游、下游、内部、和附近支持燃料和氧化剂混合物206的燃烧反应302。
根据实施例，穿孔火焰稳定器主体208可以包括网状纤维539。网状纤维539可以限定分支穿孔210，分支穿孔210围绕网状纤维539编织并穿过网状纤维539。根据实施例，穿孔210被形成为穿过网状陶瓷纤维539的通路。
根据实施例，网状纤维1239形成为网状陶瓷泡沫。根据实施例，网状纤维1239是使用网状聚合物泡沫作为模板形成的。根据实施例，网状纤维539可以包括硅酸铝。根据实施例，网状纤维539可以由挤压莫来石或堇青石形成。根据实施例，网状纤维539可以包括氧化锆。根据实施例，网状纤维539可以包括碳化硅。
术语“网状纤维”是指网状结构。根据实施例，网状纤维539由挤压陶瓷材料形成。在网状纤维实施例中，燃料和氧化剂混合物206之间的相互作用、燃烧反应302、以及往来于穿孔火焰稳定器主体208的热传递可以类似于以上关于图2-4示出和描述的实施例来工作。在活动中的一个差异是在穿孔210之间的混合，因为网状纤维539形成不连续的穿孔火焰稳定器主体208，其允许在相邻穿孔210之间来回流动。
根据实施例，网状纤维网络对于下游网状纤维539足够开放，以射出辐射供上游网状纤维539接收，用于充分加热上游网状纤维539以维持燃料和氧化剂混合物206的燃烧。与连续的穿孔火焰稳定器主体208相比，网状纤维539之间的热传导路径312由于网状纤维539的分离而减少。这可导致相对更多的热量经由热辐射304从网状纤维539的热量接收区域306(热量接收区域)传递到热量输出区域310(热量输出区域)。
根据实施例，各个穿孔210可以从穿孔火焰稳定器102的输入面212延伸到输出面214。穿孔210可以具有变化的长度l。根据实施例，因为穿孔210彼此向内和向外分支，所以各个穿孔210没有被长度l清楚地限定。
根据实施例，穿孔火焰稳定器102被配置成至少部分地在输入面212和输出面214之间支持或保持燃烧反应302或火焰。根据实施例，输入面212对应于穿孔火焰稳定器102的靠近燃料喷嘴218的表面或者对应于首先接收燃料的表面。根据实施例，输入面212对应于网状纤维539靠近燃料喷嘴218的延伸部。根据实施例，输出面214对应于远离燃料喷嘴218或与输入面212相对的表面。根据实施例，输入面212对应于网状纤维539的远离燃料喷嘴218或与输入面212相对的延伸部。
根据实施例，边界层314的形成、穿孔火焰稳定器主体208和流过穿孔210的气体之间的热传递、特征穿孔宽度尺寸d、和长度l可被视为与穿过穿孔火焰稳定器102的平均或总路径相关。换句话说，尺寸d可以被确定为在沿着流动路径的每个点处确定的各个dn值的均方根。类似地，长度l可以是包括由流动路径的弯曲所贡献的长度的长度，该长度可以比从输入面212通过穿孔火焰稳定器102到输出面214的直线距离trh稍长。根据实施例，空隙率(表示为(总穿孔火焰稳定器102体积-网状纤维539体积)/总体积)约为70％。
根据实施例，网状陶瓷穿孔火焰稳定器102是大约1″x4″x4″的瓷砖(tile)。根据实施例，网状陶瓷穿孔火焰稳定器102包括每平方英寸表面积约100个孔。根据本公开的原理，其它材料和尺寸也可用于网状陶瓷穿孔火焰稳定器102。
根据实施例，网状陶瓷穿孔火焰稳定器102可包括不同于本文所述的形状和尺寸。例如，穿孔火焰稳定器102可包括大于或小于上述尺寸的网状陶瓷瓷砖。此外，网状陶瓷穿孔火焰稳定器102可以包括不同于通常长方体形状的形状。
根据实施例，网状陶瓷穿孔火焰稳定器102可以包括多个网状陶瓷瓷砖。多个网状陶瓷瓷砖可以连接在一起，使得每个陶瓷瓷砖与一个或更多个相邻的网状陶瓷瓷砖直接接触。多个网状陶瓷瓷砖可以共同形成单个穿孔火焰稳定器102。可选地，每个网状陶瓷瓷砖可以被认为是不同的穿孔火焰稳定器102。
图6是根据实施例的燃烧系统600的部件的框图。燃烧系统600包括控制器116、一组传感器114、一组致动器118、显示器120、加热器668、和控制输入端670。一组传感器114、一组致动器118、控制输入端670、显示器120、和加热器668可通信地耦合到控制器116，使得控制器116可以从部件发送或接收信号、指令、或数据。这些部件用于监测、控制、和调节燃烧系统600相对于在穿孔火焰稳定器102中保持燃烧反应302的操作(参见图1-3、图5a、图5b)。
在一个实施例中，一组传感器114包括桥墙温度传感器640、预热火焰扫描器642、co监测器644、nox监测器646、o2监测器648、动态压力传感器649、穿孔火焰稳定器火焰扫描器650、压差传感器651、过程监测器652、相机653、压力传感器654、和穿孔火焰稳定器温度传感器655。这些传感器监测燃烧系统600的各种参数，并将传感器信号输出到控制器116。传感器信号指示燃烧系统600的各种参数。一组传感器114可以包括比图6所示更少的传感器、更多的传感器、或不同类型的传感器。
在一个实施例中，一组致动器118包括烟道风门致动器656、主燃料致动器658、预热燃料致动器660、氧化剂源致动器662、过程致动器664、点燃器致动器666、和加热器致动器668。一组致动器118从控制器116接收电气命令和指令。一组致动器118响应于来自控制器116的命令激活、控制、或调节燃烧系统600的部件。附加地，或者可选地，一组致动器118可以由燃烧系统600的操作者手动操作。
在一个实施例中，显示器120显示来自控制器116的消息、数据、或其他指示。燃烧系统600的操作者或技术人员可以经由显示器120接收信息。控制器116可以经由显示器120输出指示由一组传感器114测量的燃烧系统600的各种参数的消息。控制器116可以经由显示器120输出指示控制器116将进行的操作的消息，例如响应于传感器信号从预热状态转换到标准操作状态或控制一组致动器118中的一个或更多个。显示器120还可以显示请求来自燃烧系统600的操作者的输入的提示，请求操作者提供对执行一个或更多个提议的动作的批准或准许。在接收到来自操作者的输入时，控制器116可以根据从操作者接收的指令采取动作或不采取动作。
在一个实施例中，控制输入端670使得燃烧系统600的操作者能够向控制器116输入命令。控制输入端670可以包括小键盘、键盘、触摸屏、按钮、开关、鼠标、触控板、或用于燃烧系统600的操作者向控制器116输入数据或命令的任何其他合适的方式中的一个或更多个。控制输入端670可以经由任何合适的数据传输接口与控制器116通信。在一个实施例中，当控制器116在显示器120上输出请求来自操作者的输入以继续对燃烧系统600进行建议的调节的消息时，操作者可以响应于显示器120上的消息经由控制输入端670包括对控制器116的命令。操作者还可以利用控制输入端670来超控控制器116在控制燃烧系统600时所采取的动作。
在一个实施例中，桥墙温度传感器640感测炉子桥墙的温度。炉子桥墙的温度提供了炉子工艺是否准备好进行操作的指示。当穿孔火焰稳定器102维持燃烧反应302时，桥墙的温度将升高。当炉子的桥墙已经达到所选择的阈值温度时，燃烧系统600可以启动一个过程。
在实施例中，控制器116从桥墙温度传感器640接收桥墙的温度，并基于桥墙的温度和由控制器116实现的一个或更多个算法、状态机、或其他软件指令来采取一个或更多个动作。在一个示例中，如果来自桥墙温度传感器640的传感器信号指示桥墙的温度高于阈值温度，则控制器116可以将信号发送到过程致动器664。过程致动器664可以激活一个过程，例如启动要由炉子加热的工作流体的流。在一个实施例中，如果桥墙温度传感器640指示桥墙的温度低于阈值温度，则控制器116阻止激活过程致动器664。在一个实施例中，如果该过程已经激活，并且来自桥墙温度传感器640的传感器信号指示桥墙的温度已经下降到阈值温度以下，则控制器116可以采取措施以通过以下操作来增加穿孔火焰稳定器102输出的热量：操作主燃料致动器658来调节主燃料的流，操作氧化剂源致动器662来调节氧化剂的流，操作烟道风门致动器656来调节烟道风门，或者操作可以调节燃烧系统600的参数以增加穿孔火焰稳定器102的输出的任何其它致动器。控制器116还可以使过程致动器664调节或停止过程，直到桥墙的温度增加到超过阈值温度。
在一个实施例中，当燃烧系统600处于预热状态时，预热火焰扫描器642监测预热火焰的参数。预热火焰扫描器642可以检测预热火焰是否存在。预热火焰扫描器642可以检测预热火焰的位置。预热火焰扫描器642向控制器116输出指示预热火焰的存在、不存在、位置、或其它参数的传感器信号。
在一个实施例中，当控制器116从预热火焰扫描器642接收到传感器信号时，控制器116基于预热火焰的参数采取一个或更多个动作。如果来自预热火焰扫描器642的传感器信号指示预热火焰不存在，则控制器116可以向氧化剂源致动器662发送命令信号以调节氧化剂的流，向预热燃料致动器660发送命令信号以调节预热燃料的流，以及向点燃器致动器666发送命令信号以通过生成火花或以任何其它合适方式点燃预热火焰。
在一个实施例中，如果来自预热火焰扫描器642的传感器信号指示预热火焰的位置离穿孔火焰稳定器102太远或者离穿孔火焰稳定器102太近，则控制器116可以输出使得预热燃料致动器660调节预热燃料的流速或者调节预热燃料的燃料混合物的控制信号。控制器116还可以向氧化剂源致动器662发出命令，使得氧化剂源致动器662增加或减少氧化剂的流。
在一个实施例中，co监测器644监测标准操作状态下由主燃料和氧化剂的燃烧反应302生成的co和烟道气的浓度。co监测器644向控制器116输出指示由穿孔火焰稳定器102保持的燃烧反应302生成的烟道气中co的浓度的传感器信号。控制器116接收传感器信号，并基于如来自co监测器644的传感器信号所指示的co浓度采取一个或更多个动作。
在一个实施例中，如果烟道气中的co的浓度低于可接受的值，则控制器116可以不调节燃烧系统600的任何参数以维持燃烧反应302的当前状态。如果烟道气中的co的浓度高于可接受的值，则控制器116可以向主燃料致动器658、氧化剂源致动器662、加热器致动器668、或烟道风门致动器656发送信号，以便调节主燃料和氧化剂的燃烧反应302。控制器116可以使主燃料致动器658调节主燃料或构成主燃料的燃料混合物的流，以便使主燃料和氧化剂的燃烧反应302生成较少的co。控制器116还可以使氧化剂源致动器662调节进入炉子的氧化剂的流动，以便降低烟道气中co的浓度。
在一个实施例中，nox监测器646感测由穿孔火焰稳定器102在标准操作状态下保持的主燃料和氧化剂的燃烧反应302生成的烟道气中的nox的浓度。nox监测器646向控制器116输出指示烟道气中的nox的浓度的传感器信号。控制器116可以基于由传感器信号指示的烟道气中nox的浓度采取一个或更多个动作。
在一个实施例中，如果来自nox监测器646的传感器信号指示nox浓度高于阈值，例如高于10ppm，则控制器116可以采取动作来降低烟道气中的nox的浓度。在一个实施例中，控制器116可以控制氧化剂源致动器662以增加来自氧化剂源的氧化剂的流。附加地，或者可选地，控制器116控制主燃料致动器658以减少燃料的流或者以其他方式调节主燃料的流的参数，以便降低烟道气中nox的浓度。
在一个实施例中，o2监测器648监测烟道气中o2的存在。o2监测器648向控制器116输出指示烟道气中o2浓度的传感器信号。控制器116接收来自o2监测器648的传感器信号，并基于烟道气中o2的浓度采取一个或更多个动作。
在一个实施例中，希望的是烟道气中o2的浓度落在所选择范围内，例如大于或等于2％且小于或等于5％。如果来自o2监测器648的传感器信号指示o2的浓度低于所选择范围，则控制器116可以控制氧化剂源致动器662以增加氧化剂进入炉子的流。附加地，或者可选地，控制器116可以通过减少进入炉子的燃料的流来增加烟道气中o2的浓度。如果来自o2监测器648的传感器信号指示o2的浓度大于所选择范围，则控制器116可以使氧化剂源致动器662减少进入炉子的燃料的流。附加地，或者可选地，控制器116可以使主燃料致动器658增加主燃料进入炉子的流，以便降低烟道气中o2的浓度。在某些情况下，氧气的浓度高于预期可能是燃料燃烧不完全的结果。因此，控制器116可以控制主燃料致动器658来降低主燃料的速度，以便更完全地燃烧主燃料。
在一个实施例中，动态压力传感器649检测燃烧环境中在一个或更多个位置处的压力随时间的变化。动态压力传感器649生成指示炉子内压力随时间的变化或氧化剂的通风的传感器信号。来自动态压力传感器649的传感器信号可以指示压力相对于时间的斜率或导数，和/或可以转换到频域以检测由压力波引起的可听或不可听噪声。发明人注意到，动态压力传感器649产生指示穿孔火焰稳定器102中燃烧反应的稳定性的信号。当燃烧反应稳定时，在动态压力传感器649处存在相对恒定的压力。当燃烧反应不稳定时，动态压力传感器649产生对应于压力快速波动的信号，发明人已经注意到这种情况对应于炉子中由流动气体产生的相对较高的可听噪声。控制器116可以响应于来自动态压力传感器649的传感器信号采取一个或更多个动作来调节压力或其它燃烧参数。
在一个实施例中，控制器116可以响应于由动态压力传感器649提供的传感器信号，通过控制氧化剂源致动器662来调节氧化剂的流来增加或减少压力。控制器116可以通过使烟道风门致动器656调节烟道风门来调节压力。控制器116可以通过使主燃料致动器658调节主燃料的流来调节压力。控制器116还可以响应于由动态压力传感器649提供的传感器信号而采取其他动作来调节压力。
在一个实施例中，压差传感器651检测炉子中两个或更多个位置上(例如，穿孔火焰稳定器102上)的压差或差距(pressuredifferentialsordifferences)。控制器116可以响应于来自压差传感器651的传感器信号而采取一个或更多个动作来调节压力或其它燃烧参数。
在一个实施例中，控制器116可以通过控制氧化剂源致动器662来调节氧化剂的流来增加或减少压力。控制器116可以通过使烟道风门致动器656调节烟道风门来调节压力。控制器116可以通过使主燃料致动器658调节主燃料的流来调节压力。控制器116还可以响应于由动态压力传感器649提供的传感器信号采取其它动作来调节压力。
在一个实施例中，穿孔火焰稳定器火焰扫描器650监测由穿孔火焰稳定器102保持的主燃料和氧化剂的燃烧反应302的参数。穿孔火焰稳定器火焰扫描器650向控制器116输出指示由穿孔火焰稳定器102在标准操作状态下保持的燃烧反应302的参数的传感器信号。
在一个实施例中，穿孔火焰稳定器火焰扫描器650可以检测主燃料和氧化剂的燃烧反应302是否存在于穿孔火焰稳定器102处。如果穿孔火焰稳定器火焰扫描器650输出的传感器信号指示主燃料和氧化剂的燃烧反应302不存在，则控制器116可以采取一个或更多个动作。例如，控制器116可以使加热器致动器668向穿孔火焰稳定器102提供额外的热量，使得穿孔火焰稳定器102处于足以引发主燃料和氧化剂的燃烧反应302的温度。控制器116可以通过以下操作来使燃烧系统600回复到预热状态：控制主燃料致动器658、预热燃料致动器660、氧化剂源致动器662、和点燃器致动器666，以停止主燃料的流，调节氧化剂的流，启动预热燃料的流，并点燃预热火焰，直到穿孔火焰稳定器102达到阈值温度。
在一个实施例中，如果穿孔火焰稳定器火焰扫描器650输出的传感器信号指示主燃料和氧化剂的燃烧反应302集中在离穿孔火焰稳定器102的上游太远或离穿孔火焰稳定器102的下游太远的位置，则控制器116可以控制主燃料致动器658来调节主燃料的流速、速度、混合物、或其他参数。控制器116还可以使氧化剂源致动器662调节氧化剂的流，以便使主燃料和氧化剂的燃烧反应302由穿孔火焰稳定器102保持。
在一个实施例中，穿孔火焰稳定器火焰扫描器650可以指示主燃料和氧化剂的燃烧生成了多少热量。如果来自穿孔火焰稳定器火焰扫描器650的传感器信号指示主燃料和氧化剂的燃烧反应302生成过多热量或过少热量，则控制器116可以采取一个或更多个动作。例如，控制器116可以通过控制主燃料致动器658来调节主燃料的流或混合物。控制器116还可以使氧化剂源致动器662调节氧化剂的流，以增加或降低主燃料和氧化剂的燃烧反应302的温度。
在一个实施例中，过程监测器652测量过程的参数，例如从主燃料和氧化剂的燃烧反应302到工作流体的热传递。过程监测器652向控制器116输出指示过程的参数的传感器信号。控制器116可以响应于传感器信号采取一个或更多个动作来调节过程的参数。
在一个实施例中，控制器116可以控制过程致动器664，以便响应于来自过程监测器652的传感器信号而调节过程的一个或更多个方面。附加地，或者可选地，控制器116可以控制一个或更多个其它致动器来调节主燃料和氧化剂的燃烧反应302的参数，以便调节过程的参数。
在一个实施例中，相机653监测炉子内的一个或更多个状况，并输出指示监测的状况的传感器信号。相机653可以包括电荷耦合器件(ccd)相机、cmos相机、或其他类型的相机。相机653可以是传感器阵列114中的一个或更多个其他传感器的一部分。相机653可以监测穿孔火焰稳定器102的视觉参数、在穿孔火焰稳定器102内的燃烧反应302、预热火焰、燃烧反应302的回火、部件的物理状况、致动器、传感器、或炉子内的其他状况。控制器116可以响应于来自相机653的传感器信号而采取一个或更多个动作。相机653可以检测uv波长、ir波长、和/或可见光波长。相机653可以包括摄像机或其他类型的相机。
在一个实施例中，相机653可以利用相位掩模转换视场，并利用平面ccd或cmos阵列检测信号，不是作为视场的图像，而是作为可以被解码以聚焦在焦平面范围内的矩阵数据。
在一个实施例中，传感器阵列114可以包括回火传感器，该回火传感器被配置成检测燃烧反应302从穿孔火焰稳定器102朝向主燃料分配器的回火。回火传感器可以是传感器阵列114中的一个或更多个其它传感器的一部分。回火传感器可以包括相机、红外传感器、火焰棒、uv传感器、ccd相机、热电偶、光电池、电极、或能够感测回火的其它类型的设备中的一个或更多个。
在一个实施例中，控制器116可以响应来自传感器阵列114中的一个或更多个传感器或来自本文未示出或描述的传感器的传感器信号来控制炉子的调节比。控制器116可以通过操作一个或更多个致动器118来调节燃烧环境的参数(例如，燃料流参数、氧化剂参数、操作状态参数、或其他参数)以对调节比进行控制或调节。
在一个实施例中，燃烧系统600可包括多个穿孔火焰稳定器102。燃烧系统600可以包括多个主燃料分配器110、多个氧化剂源104、多个预热燃料分配器、和多个其它部件，以操作多个穿孔火焰稳定器102。燃烧系统600可以包括多个不同的传感器114，以感测与多个穿孔火焰稳定器102相关的参数。控制器116可以响应于来自各种传感器114的传感器信号来调节与多个穿孔火焰稳定器102相关的参数。传感器可以基于由传感器阵列114中的传感器所指示的吹气、不稳定性、和调低(turndown)来控制与多个穿孔火焰稳定器102相关的操作。控制器116还可以停止对一个或更多个穿孔火焰稳定器102的操作，或者可以选择多个穿孔火焰稳定器102中的哪些穿孔火焰稳定器和多少个穿孔火焰稳定器应该进行操作。控制器116可以控制一组致动器118来控制、操作、选择、或停止与多个穿孔火焰稳定器102相关的操作。
燃烧系统600也可以是多燃料系统，其利用多个燃料或多种燃料在一个或更多个穿孔火焰稳定器102中保持燃烧反应302。控制器116可以基于来自传感器阵列114的各种传感器的传感器信号来控制多个燃料的流，选择使用哪种燃料，或者选择燃料的混合物或调和物(blends)。
在一个实施例中，压力传感器654监测炉子中的压力或氧化剂的通风压力。过程传感器654感测信号并且将指示炉子内的压力或氧化剂的通风的信号输出到控制器116中。控制器116可以响应于来自压力传感器654的传感器信号采取一个或更多个动作来调节压力。
在一个实施例中，控制器116可以通过控制氧化剂源致动器662来调节氧化剂的流来增加或减少压力。控制器116可以通过使烟道风门致动器656调节烟道风门来调节压力。控制器116可以通过使主燃料致动器658调节主燃料的流来调节压力。控制器116还可以响应于由压力传感器654提供的传感器信号而采取其它动作来调节压力。
在一个实施例中，穿孔火焰稳定器温度传感器655监测穿孔火焰稳定器102的温度。穿孔火焰稳定器温度传感器655生成指示穿孔火焰稳定器102的温度的传感器信号，并将它们传送到控制器116。控制器116可以基于来自穿孔火焰稳定器温度传感器655的传感器信号而采取一个或更多个动作来调节穿孔火焰稳定器102的温度。
在一个实施例中，穿孔火焰稳定器温度传感器655在燃烧系统600的预热状态期间监测穿孔火焰稳定器102的温度。因此，当预热燃料和氧化剂的预热火焰加热穿孔火焰稳定器102时，穿孔火焰稳定器温度传感器655监测穿孔火焰稳定器102的温度。如果传感器信号指示穿孔火焰稳定器102的温度低于阈值温度或操作温度，则控制器116使燃烧系统600保持在预热状态，在预热状态中预热火焰保持存在并继续加热穿孔火焰稳定器102。如果来自穿孔火焰稳定器温度传感器655的传感器信号指示穿孔火焰稳定器102的温度已经达到阈值温度或操作温度，则控制器116可以通过停止预热燃料的流并启动主燃料的流来控制预热燃料致动器660和主燃料致动器658以从预热状态转换到标准操作状态。
在一个实施例中，穿孔火焰稳定器温度传感器655在标准操作状态期间继续监测穿孔火焰稳定器102的温度。如果来自穿孔火焰稳定器温度传感器655的传感器信号指示穿孔火焰稳定器102的温度已经下降到阈值温度或操作温度以下，则控制器116可以采取一个或更多个动作。例如，控制器116可使加热器致动器668开始加热穿孔火焰稳定器102。附加地，或者可选地，控制器116可以通过停止主燃料的流并启动预热燃料的流来使燃烧系统600恢复到预热状态。
在一个实施例中，控制器116响应于来自一组传感器114的传感器信号，根据基于一组传感器114生成的传感器信号的值指示控制器116将采取什么动作的一组或更多组软件指令、算法、状态机、或其他协议，自动控制各种致动器118。在一个实施例中，控制器116不会响应于传感器信号而自动控制一个或更多个致动器118。相反，控制器116经由显示器120向操作者输出指示操作者应该基于传感器信号手动调节燃烧系统600的部件的提示或指令。控制器116还可以提示操作者批准由控制器116采取的动作，使得控制器116可以控制各种致动器118。控制器116可以使用自动控制致动器118、提示操作者控制致动器118以及提示操作者批准对控制器116的提议动作的混合。
图7是根据实施例的用于在预热状态下操作燃烧系统的过程700的流程图。过程700可通过控制器116根据一个或更多个算法、软件指令集、或状态机执行过程步骤进行控制。控制器116可以通过利用一个或更多个处理器来执行被存储在非暂时性计算机可读介质上的指令来实现过程700。
在步骤702处，过程700开始于预吹扫燃烧系统的炉子。预吹扫过程包括从炉子中吹扫气体、颗粒、或碎屑。预吹扫过程可以包括控制氧化剂源使氧化剂流过炉子，以便从炉子中清除不需要的气体、颗粒、和碎屑。附加地，或者可选地，预吹扫过程可以包括将惰性气体通入炉子中，以便从炉子中去除不需要的气体、颗粒、和碎屑。一旦炉子被吹扫，方法700就继续进行到步骤704。
在一个实施例中，在步骤704处，过程700打开预热燃料阀，以便启动预热燃料到炉子的流。如果过程700还没有开始将氧化剂流入炉子中，那么过程700可以控制氧化剂源以开始将氧化剂流入炉子。从步骤704，过程700前进到步骤706。
在步骤706处，该过程点燃预热燃料和氧化剂的预热火焰。在一个实施例中，该过程可以通过生成火花点燃预热火焰。在另一实施例中，该过程可以通过生成滑动弧来点燃预热火焰。在另一实施例中，该过程可以通过控制引燃器(例如，通过偏转或不偏转引燃火焰)来点燃预热燃料。在另一实施例中，该过程可以通过耗散通过热表面点燃器的电流来点燃预热火焰。特别地，控制器可以控制点燃器或引燃器，以便点燃预热火焰。从步骤706，过程700前进到判定步骤708。
在一个实施例中，在判定步骤708处，该过程确定预热火焰是否存在。如果预热火焰不存在，则过程700可以返回到步骤706，并且可以再次尝试启动预热火焰。如果在判定步骤708处预热火焰存在，则过程700可以从判定步骤708前进到步骤710。
在一个实施例中，在步骤710处，过程700预热被定位在炉子中的穿孔火焰稳定器。特别地，穿孔火焰稳定器被定位成接收来自预热火焰的热量。预热火焰加热穿孔火焰稳定器，导致穿孔火焰稳定器的温度升高。从步骤710，过程700前进到步骤712。
在一个实施例中，在步骤712处，过程700测量穿孔火焰稳定器的温度。从步骤712，该过程进行到判定步骤714。
在一个实施例中，在判定步骤714处，如果穿孔火焰稳定器的温度tpfh低于阈值或操作温度tth，则过程700返回到步骤710并继续预热穿孔火焰稳定器。在判定步骤714处，如果穿孔火焰稳定器的温度大于阈值或操作温度，则过程700进行到步骤716。典型地，阈值温度tth在系统状况下(温度、湿度、大气压)等于或高于预热燃料的自燃温度。发明人已经注意到，当冷燃料首次被引入穿孔火焰稳定器时，穿孔火焰稳定器的温度tpfh有非常轻微的瞬时降低。因此，发明人发现，将阈值温度tth设置为略高于预热燃料自燃温度是有利的。
在一个实施例中，在步骤716处，过程700从预热状态转换到标准操作状态。在标准操作状态下，预热火焰熄灭，并且主燃料和氧化剂的燃烧反应由穿孔火焰稳定器保持。
图8是根据实施例的用于在标准操作状态下操作燃烧系统的过程800的流程图。过程800可通过控制器116根据一个或更多个算法、软件指令集、或状态机执行过程步骤来进行控制。控制器116可以通过利用一个或更多个处理器执行被存储在非暂时性计算机可读介质上的指令来实现过程800。
在一个实施例中，在步骤802处，过程800通过打开主燃料阀从预热状态转变到标准操作状态。当主燃料阀打开时，主燃料被输出到炉子中。如果氧化剂源尚未向炉子供应氧化剂，则在步骤802处，过程800还可以使氧化剂源向炉子供应氧化剂。主燃料和氧化剂向穿孔火焰稳定器行进，并在它们向穿孔火焰稳定器行进时混合在一起。穿孔火焰稳定器将主燃料和氧化剂的混合物接收到穿孔火焰稳定器的穿孔或通道中。因为穿孔火焰稳定器已经被加热到操作温度或阈值温度，所以穿孔火焰稳定器点燃主燃料和氧化剂的燃烧反应。穿孔火焰稳定器将燃烧反应的一部分保持在穿孔火焰稳定器内。穿孔火焰稳定器的一部分也可以出现在穿孔火焰稳定器的下游和上游。从步骤802，过程800前进到步骤804。
在一个实施例中，在步骤804处，过程800关闭预热燃料阀。关闭预热燃料阀会停止预热燃料流入炉子中，从而熄灭预热火焰。可选地，预热燃料阀可以在打开主燃料阀之前被关闭。从步骤804，过程800前进到步骤806。
在一个实施例中，在步骤806处，过程800检查燃烧系统的可测量值或参数。这些可测量值可以包括主燃料和氧化剂的燃烧反应是否存在、主燃料和氧化剂的燃烧反应的位置、烟道气中各种气体的浓度、炉子内压力、炉子的桥墙的温度、从燃烧反应接收热量的过程的参数、或燃烧系统的其它参数。从步骤806，过程800前进到判定步骤808。在判定步骤808处，过程800确定燃烧系统的测量状况是否可接受。如果燃烧系统的测量状况不可接受，则过程800进行到步骤810。如果燃烧系统的测量状况是可接受的，则过程800进行到步骤812。
在一个实施例中，在步骤810处，过程800采取纠正动作来调节燃烧系统的参数。纠正动作可以包括调节主燃料的流、调节氧化剂的流、调节烟道风门、激活加热器、调节主燃料的混合物、关闭燃烧系统、反转到预热状态、或其他类型的纠正动作。从步骤810，过程800前进到步骤806。
在一个实施例中，在步骤812处，过程800维持穿孔火焰稳定器的当前状况和通常维持燃烧系统的当前状况。从步骤812，过程800可以返回到步骤806，以再次检查可测量值。可选地，如果燃烧系统已经完成了期望的工作，则过程800可以前进到步骤814。
在一个实施例中，在步骤814处，过程800关闭燃烧系统。
图9是根据实施例的用于在标准操作状态下操作燃烧系统的过程900的流程图。过程900可通过控制器116根据一个或更多个算法、软件指令集、或状态机执行过程步骤来进行控制。控制器116可以通过利用一个或更多个处理器来执行被存储在非暂时性计算机可读介质上的指令来实现过程900。
在一个实施例中，在步骤902处，过程900检查燃烧系统的可测量值。这些可测量值可以包括主燃料和氧化剂的燃烧反应是否存在、主燃料和氧化剂的燃烧反应的位置、烟道气中各种气体的浓度、炉子内的压力、炉子的桥墙的温度、从燃烧反应接收热量的过程900的参数、或燃烧系统的其它参数。从步骤902，过程900前进到判定步骤904。在判定步骤904处，过程900确定燃烧系统的测量状况是否可接受。如果燃烧系统的测量状况不可接受，则过程900进行到步骤906、908、910、或912中的一个或更多个。如果燃烧系统的测量状况是可接受的，则过程900进行到步骤914。
在一个实施例中，在步骤906处，过程900响应于燃烧系统的测量参数来调节烟道风门。在一个实施例中，在步骤908处，过程900响应于燃烧系统的测量参数调节氧化剂流。在一个实施例中，在步骤910处，过程900响应于燃烧系统的测量参数调节主燃料流。在步骤912处，响应于燃烧系统的测量参数，过程900重新转换到预热状态。
在一个实施例中，在步骤914处，过程900维持穿孔火焰稳定器的当前状况且通常维持燃烧系统的当前状况。从步骤912，过程900可以返回到步骤902，以再次检查可测量值。可选地，如果燃烧系统已经完成了期望的工作，则过程900可以前进到步骤916。
在一个实施例中，在步骤916处，过程900关闭燃烧系统。
图10a是根据实施例的燃烧系统1000的图。燃烧系统1000包括限定炉膛容积1073的炉子1071。燃烧系统1000包括被定位于炉膛容积1073内的穿孔火焰稳定器102。燃烧系统1000包括主燃料分配器110、预热燃料分配器106、点燃器1077、预热火焰传感器124、和被定位于炉膛容积1073内的穿孔火焰稳定器传感器122。燃烧系统1000包括氧化剂源104、控制器116、致动器118、显示器120、控制输入端670、手动控件123、主燃料源112、和预热燃料源108。燃烧系统1000包括控制从主燃料源112到主燃料分配器110的主燃料的流的一个或更多个主燃料阀1074。燃烧系统1000包括一个或更多个预热燃料阀1076，其控制预热燃料从预热燃料源108到预热燃料分配器106的流。燃烧系统1000包括被定位于炉子1071的烟道中的烟道风门1084。燃烧系统1000还包括桥墙温度传感器640和气体成分传感器1072。
在一个实施例中，控制器116接收来自预热火焰传感器124、穿孔火焰稳定器传感器122、桥墙温度传感器640、气体成分传感器1072、和压力传感器654的传感器信号。控制器116耦合到致动器118。各种致动器118能够物理地调节主燃料阀1074、预热燃料阀1076、氧化剂源104、主燃料分配器110、预热燃料分配器106、和烟道风门1084。在一个实施例中，控制器116被配置成控制致动器118以调节燃烧系统1000的各种参数。
在一个实施例中，控制器116被配置为在显示器120上输出消息、传感器读数、提示、警告、警报、或其他类型的数据。燃烧系统1000的操作者可以查看显示器120上的数据输出，并且可以响应于显示器120上的数据输出来操作燃烧系统1000。
在一个实施例中，燃烧系统1000的操作者可以利用手动控件123来操作燃烧系统1000的部件。手动控件123可以控制致动器118来调节燃烧系统1000的参数。可选地或附加地，手动控件123可使操作者能够物理地调节燃烧系统1000的与致动器118不同的部件。
在一个实施例中，控制输入端670使得燃烧系统1000的操作者能够向控制器116输入命令或数据。在一个实施例中，控制器116可以响应于由各种传感器提供的传感器信号，输出向用户批准由控制器116提议的一个或更多个动作的请求。燃烧系统1000的操作者可以经由其它控制输入端670输入选择或命令，批准或不批准控制器116的提议的动作。
图10b是根据实施例的图10a中的处于预热状态的燃烧系统1000的图。在预热状态下，燃烧系统1000生成预热火焰1075，以将穿孔火焰稳定器102预热到操作温度。当穿孔火焰稳定器102已经被加热到操作温度时，燃烧系统1000可以转换到标准操作状态。
在一个实施例中，在预热状态下，控制器116控制一个或更多个致动器118以打开预热燃料阀1076。随着预热燃料阀1076打开，预热燃料源108向预热燃料分配器106供应预热燃料。预热燃料分配器106将预热燃料输出到炉膛容积1073中。在一个实施例中，预热燃料分配器106包括一个或更多个预热燃料喷嘴，每个预热燃料喷嘴耦合到预热燃料提升管(riser)的端部上。预热燃料从燃料喷嘴中的喷孔输出。
在一个实施例中，在预热状态下，控制器116控制一个或更多个致动器118，以使氧化剂源104将氧化剂供应到炉膛容积1073中。氧化剂源104将氧化剂供应到炉膛容积1073中。氧化剂在炉膛容积1073中与预热燃料混合。
在一个实施例中，氧化剂源104包括桶寄存器。桶寄存器包括可被打开到所选择程度的孔隙，以便将氧化剂引流到炉膛容积1073中。致动器118可以控制孔隙被打开的程度，从而控制氧化剂被引流到炉膛容积1073中的程度。
在一个实施例中，控制器116控制一个或更多个致动器118，以使点燃器1077点燃预热燃料和氧化剂的预热火焰1075。控制器116可使点燃器1077在混合预热燃料和氧化剂的存在下生成火花。火花导致预热燃料和氧化剂的点燃，从而启动预热火焰1075。
在一个实施例中，预热火焰传感器124监测预热火焰1075的参数，并向控制器116提供指示预热火焰1075的感测参数的传感器信号。预热火焰传感器124可以感测预热火焰1075是否存在。预热火焰传感器124还可以感测预热火焰1075的位置。预热火焰传感器124还可以感测预热火焰1075的温度。预热火焰传感器124向控制器116输出指示预热火焰1075的参数的传感器信号。
在一个实施例中，控制器116可以响应于由预热火焰传感器124提供的传感器信号来调节预热火焰1075的参数。例如，如果预热火焰传感器124的信号指示预热火焰1075不存在，则控制器116可以控制一个或更多个致动器118以从点燃器1077生成额外的火花，调节预热燃料到炉膛容积1073中的分布，或者调节氧化剂到炉膛容积1073中的流。控制器116还可以响应于来自预热火焰传感器124的传感器信号来控制预热燃料和氧化剂的流，以便调节预热火焰1075的位置。
在一个实施例中，穿孔火焰稳定器传感器122在预热状态期间测量穿孔火焰稳定器102的温度，并向控制器116提供指示穿孔火焰稳定器102的温度的传感器信号。如果来自穿孔火焰稳定器传感器122的传感器信号指示穿孔火焰稳定器102的温度低于操作温度或阈值温度，则控制器116允许预热火焰1075继续加热穿孔火焰稳定器102。如果来自穿孔火焰稳定器传感器122的传感器信号指示穿孔火焰稳定器102的温度等于或大于操作温度或阈值温度，则控制器116可以使燃烧系统1000转换到标准操作状态。
在一个实施例中，燃烧系统1000的操作者可以通过操作手动控件123在预热状态期间激活、操作、或调节燃烧系统1000的各个部件。操作者可以响应于控制器116经由显示器120提供的消息来调节燃烧系统1000的参数。
图10c是根据实施例的处于标准操作状态的燃烧系统1000的图。在标准操作状态下，燃烧系统1000在穿孔火焰稳定器102处维持主燃料和氧化剂的燃烧反应1086。
在一个实施例中，燃烧系统1000通过首先熄灭预热火焰1075而转换到标准操作状态。控制器116通过使一个或更多个致动器118关闭预热燃料阀1076从而停止预热燃料流向预热燃料分配器106来熄灭预热火焰1075。当预热燃料分配器106停止输出预热燃料时，预热火焰1075被熄灭。
在实施例中，控制器116通过使一个或更多个致动器118打开主燃料阀1074从而使主燃料能够从主燃料源112流向主燃料分配器110，来使燃烧系统1000进入标准操作状态。主燃料分配器110向穿孔火焰稳定器102输出主燃料。如果氧化剂源104还没有将氧化剂输出到炉膛容积1073中，则控制器116还可以使氧化剂源104将氧化剂输出到炉膛容积1073中。主燃料在向穿孔火焰稳定器102行进时其夹带氧化剂并与氧化剂混合。因为穿孔火焰稳定器102处于操作温度，所以穿孔火焰稳定器102点燃并维持主燃料和氧化剂的混合物206的燃烧反应1086。在一个实施例中，穿孔火焰稳定器102将燃烧反应1086的一部分保持在穿孔火焰稳定器102内。穿孔火焰稳定器102还可以在穿孔火焰稳定器102的上游和下游维持燃烧反应1086的一部分。
在一个实施例中，在标准操作状态下，穿孔火焰稳定器传感器122、压力传感器654、桥墙温度传感器640、和气体成分传感器1072向控制器116输出传感器信号。穿孔火焰稳定器传感器122监测燃烧反应1086的参数，包括燃烧反应1086的位置、分布、和温度。桥墙温度传感器640感测炉子1071的桥墙的温度，以及压力传感器654感测在炉膛容积1073内的压力。气体成分传感器1072感测各种气体的浓度，例如烟道气1082中的nox、co、和o2，并通过炉子1071的烟道排出。
在一个实施例中，控制器116可以使致动器118调节主燃料的流、氧化剂的流、烟道风门1084的取向、以及燃烧系统1000的其他部件，以便调节燃烧系统1000的参数。控制器116可以控制氧化剂和主燃料的流，以及烟道风门1084的位置，以调节烟道气1082中的气体的浓度，调节燃烧反应1086的位置和分布，调节在炉膛容积1073内的压力，或者调节燃烧系统1000的其他参数。
图11是根据实施例的燃烧系统1100的图。燃烧系统1100基本上类似于图1中的燃烧系统100，不同之处在于燃烧系统1100的传感器阵列114包括回火传感器1123。
在一个实施例中，回火传感器1123被配置成在标准操作状态期间感测由穿孔火焰稳定器102保持的燃烧反应朝向主燃料分配器110的回火。回火是一种潜在的危险状况，在这种情况下，燃烧反应向上游行进，点燃比所需更靠近主燃料分配器110的燃料流。回火传感器1123感测回火并向控制器116发送指示回火的存在的传感器信号。控制器116然后可以采取一个或更多个动作来停止回火状况。
在一个实施例中，控制器116通过增加来自主燃料分配器110的主燃料的流速来停止回火状态。主燃料的增加的流速抑制了燃烧反应向上游行进，因为燃料行进的速度比燃烧反应向上游行进的速度更快。控制器116可以响应于来自回火传感器1123的传感器信号来操作一个或更多个致动器118，以调节来自主燃料分配器110的主燃料的流。可选地，控制器116可以在显示器120上输出提示操作者手动调节主燃料的流以抑制回火的指示。
在一个实施例中，控制器116通过停止主燃料的流来停止回火状况，从而使燃烧系统1100脱离标准操作状态。控制器116可以响应于来自回火传感器1123的传感器信号操作一个或更多个致动器118以停止来自主燃料分配器110的主燃料的流。可选地，控制器116可以在显示器120上输出提示操作者手动停止主燃料的流以抑制回火的指示。当回火发生时，控制器116可以完全关闭燃烧系统1100。
在一个实施例中，控制器116可以采取除上述之外的其他动作，以便处理回火状况。
在一个实施例中，回火传感器1123感测在燃烧系统1100的预热状态期间的回火。特别地，在预热状态下，回火传感器1123检测预热火焰朝向预热燃料分配器106的回火。控制器116可以通过增加预热燃料的流、通过停止预热燃料的流、或以任何其他合适的方式来响应预热状态下的回火状况。
在一个实施例中，回火传感器1123被定位成感测在穿孔火焰稳定器102的输入面212和主燃料分配器110之间的回火。因此，在竖直点燃的燃烧系统1100中，回火传感器1123可以具有在穿孔火焰稳定器102和主燃料分配器110之间的竖直位置。在横向点燃的燃烧系统1100中，回火传感器1123可以具有在穿孔火焰稳定器102和主燃料分配器110之间的横向位置。
在一个实施例中，回火传感器1123可以包括相机、红外传感器、火焰棒、uv传感器、ccd相机、热电偶、光电池、电极、电容层析成像设备、或能够感测回火的其他类型的设备中的一个或更多个。
在一个实施例中，回火传感器1123包括电容层析成像设备，例如图12a和图12b的电容层析成像设备1205。电容层析成像设备可以包括具有多对电极的第一组电极，其横向定位于穿孔火焰稳定器102周围，以便感测穿孔火焰稳定器102的参数。电容层析成像设备还可以包括被定位于穿孔火焰稳定器102上游的第二组电极。第一组电极可以感测穿孔火焰稳定器102附近的电容或其他参数。第二组电极可感测穿孔火焰稳定器102的上游的电容或其它参数。控制器可以将由第一组电极感测的电容或其他参数与由第二组电极感测的电容或其他参数进行比较，以便检测回火。
在一个实施例中，穿孔火焰稳定器传感器122包括电容层析成像设备。穿孔火焰稳定器传感器122和回火传感器1123可以共享使用关于回火传感器1123描述的第一组电极。在这种情况下，包括被横向定位在穿孔火焰稳定器102周围的成对电极的第一组电极可以用作穿孔火焰稳定器传感器122和回火传感器1123的一部分。
在一个实施例中，预热火焰传感器124包括电容层析成像设备1205。预热火焰传感器124和回火传感器1123可以共享使用位于穿孔火焰稳定器102上游或横向围绕穿孔火焰稳定器102的电极。预热火焰传感器124、回火传感器1123、和穿孔火焰稳定器传感器122中的两个或更多个可以共享电容层析成像设备的电极。
图12a是根据实施例的燃烧系统1200的图，该燃烧系统1200包括穿孔火焰稳定器102和电容层析成像设备1205。燃烧系统1200包括燃料和氧化剂源202、穿孔火焰稳定器102、控制器116、电容层析成像设备1205、和存储器1207。燃料和氧化剂源202可包括主燃料分配器110和氧化剂源104。另外，燃料和氧化剂源202可包括预热燃料分配器106。
根据实施例，燃料和氧化剂源202包括例如燃料喷嘴，该燃料喷嘴被配置成将主燃料和氧化剂输出到穿孔火焰稳定器102上。穿孔火焰稳定器102维持主要在穿孔火焰稳定器102内的燃料和氧化剂的燃烧反应。
根据实施例，电容层析成像设备1205是图像捕获设备，其包括多个电极1220，所述多个电极1220被定位于与穿孔火焰稳定器102相邻的所选择位置处。电容层析成像设备1205被配置为基于在电极1220之间的电容来形成穿孔火焰稳定器102的图像。该图像表示基于在电极1220之间的电容的穿孔火焰稳定器102的切片。在成对的电极1220之间的电容部分取决于在成对的电极1220之间的材料的介电常数。特别地，在穿孔火焰稳定器102的穿孔内的介电常数可以基于在穿孔内的燃烧反应的特性而改变。因此，基于在穿孔火焰稳定器102的各个位置处的介电常数，由电容层析成像设备1205产生的图像可以给出在穿孔内的温度或者在穿孔火焰稳定器102中各个位置处的燃料、氧化剂、和烟道气的浓度或流的指示。控制器116可以分析图像并基于图像调节燃烧反应。
根据实施例，控制器116被配置成使得电容层析成像设备1205捕获燃烧反应的一个或更多个图像。在一个实施例中，控制器116还被配置成分析一个或更多个图像，并基于对一个或更多个图像的分析来调节燃烧反应的特性。
图12b是根据实施例的穿孔火焰稳定器102和电容层析成像设备1205的顶视图。电容层析成像设备1205包括多对电极1220，其被横向定位在穿孔火焰稳定器102周围。每对电极1220包括彼此直接面对的两个电极1220，其中穿孔火焰稳定器102被定位在这对电极1220之间。根据实施例，控制器116控制每对电极1220以形成穿孔火焰稳定器102的多个图像。
在一个实施例中，电极1220a和1220a是一对，电极1220b和1220b是一对，电极1220c和1220c是一对，电极1220d和1220d是一对，电极1220e和1220e是一对，以及电极1220f和1220f是一对。电容层析成像设备1205可以基于电极对1220之间的电容生成电容层析成像图像。
在一个实施例中，多个电极1220包括一个或更多个第一对电极1220，其在基本垂直于燃料和氧化剂朝向穿孔火焰稳定器102流动的主要方向的第一取向上彼此面对。在一个示例中，第一对电极1220可以包括一对电极1220a和一对电极1220b。第一对电极1220a和1220b沿着基本垂直于主燃料和氧化剂朝向穿孔火焰稳定器102流动的主要方向的x方向感测穿孔火焰稳定器102的电容。主燃料和氧化剂朝向穿孔火焰稳定器102流动的主要方向可以对应于z方向。
在一个实施例中，多个电极1220包括一个或更多个第二对电极，其在基本垂直于第一取向和主燃料和氧化剂朝向穿孔火焰稳定器102流动的主方向的第二取向上彼此面对。在一个示例中，第二对电极1220可以包括一对电极1220c和一对电极1220d。第二对电极1220c和1220d沿基本垂直于主燃料和氧化剂的流动的主要方向并且基本垂直于第一对电极1220a和1220b的取向的y方向感测穿孔火焰稳定器102的电容。
在一个实施例中，多个电极1220可以包括横向于第一对电极1220a和1220b以及第二对电极1220c和1220d定向的电极对1220。横向电极对1220可以包括一对电极1220e和一对电极1220f。
尽管图12a和图12b的视图已经示出了包括横向定位在穿孔火焰稳定器102周围的电极1220的电容层析成像设备1205，但是根据本公开原理的电容层析成像设备可以包括以不同于横向围绕穿孔火焰稳定器102的配置定位的电极对。电容层析成像设备可以包括成对的电极，该成对的电极被定位于穿孔火焰稳定器102的上游、穿孔火焰稳定器102的下游、或者根据电容层析成像设备打算感测或监测的燃烧系统的特定方面而定位于其他位置。因此，结合图1-11描述的传感器阵列114中的其它传感器可以包括合适的电容层析成像设备。
根据本公开，本领域技术人员将认识到，根据本公开的原理的燃烧系统可以包括除了本文公开的传感器和致动器之外的传感器和致动器、传感器和致动器的其它组合，以及控制器116响应于传感器信号而采取的其它类型的动作。所有这些其它传感器、致动器、组合、和动作都落入本公开的范围内。
虽然本文已经公开了各种方面和实施例，但是也可以考虑其他方面和实施例。本文公开的各个方面和实施例是为了说明的目的，而不是为了限制，真正的范围和精神由所附权利要求来指示。
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