使用空间反馈和射流声强制的燃烧控制系统和方法

专利名称：使用空间反馈和射流声强制的燃烧控制系统和方法
使用空间反馈和射流声强制的燃烧控制系统和方法技术领域
本发明所公开的主题涉及燃烧系统，并且更具体地涉及锅炉中改进的燃烧和减 少的排放。
背景技术：
燃烧在多种系统中使用以产生热和/或功率。例如，发动机包括燃烧室以生成 机械功率，并且锅炉包括燃烧室以生成蒸汽。在每个系统中，希望获得最佳燃烧同时最 小化废气排放。应了解，多种燃烧参数可能会影响燃烧和废气排放。不利的是，现有系 统并不足以应对整个燃烧室中这些燃烧参数的变化。发明内容
在下文中总结与原始要求保护的本发明在范围上一致的某些实施例。这些实 施例不预期限制所要求保护的本发明的范围，而是这些实施例预期仅提供本发明的可能 形式的简要总结。实际上，本发明可涵盖可类似于或不同于下文所述的实施例的多种形 式。
在第一实施例中，系统包括燃烧系统，其具有多个射流；空间监视系统，其 具有安置于在燃烧系统内或下游的空间网格中的多个传感器；以及控制系统，其构造成 响应于来自空间监视系统的传感器反馈来调整多个流体射流中的至少一个流体射流的强 制频率(forcingfrequency)。
在第二实施例中，系统包括燃烧控制系统，其响应于在燃烧室内或下游的空间 网格中的多个位置处的至少一个参数的传感器反馈，其中燃烧控制系统构造成基于传感 器反馈来调整射流特性，射流特性包括至少一个流体射流的强制频率或者多个流体射流 之中射流参数的分布。
在第三实施例中，方法包括利用安置于燃烧系统中空间监视网格中的多个传感 器中的至少一个来检测多个参数中的至少一个。该方法还可包括从多个传感器中的至少 一个接收关于多个参数中的至少一个的反馈。该方法还包括响应于该反馈来调整多个流 体射流中的至少一个流体射流的强制频率。


当参看附图来阅读下文的详细描述时，本发明的这些和其它特点、方面和优点 将会更好地理解，在所有附图中，相似的附图标记表示相似部件，其中
图1是具有锅炉的发电系统的方块图，锅炉带有空间监视系统和控制系统，其 中控制系统包括根据本发明实施例的流体射流的声强制(acoustic forcing)；
图2是根据本发明实施例的响应于来自空间监视系统的反馈对燃料和空气射流 进行声强制的锅炉的示意图3是沿着图2的线3-3所截取的锅炉的截面图，其示出根据本发明实施例的空间监视系统的传感器网格和声强制射流排列；
图4是根据本发明方面的基于来自空间传感器网格的反馈通过调整流体射流(例 如，声强制)来控制燃烧和排放的过程的流程图5是根据本发明实施例的利用神经学习来控制燃烧和排放的过程的流程图； 以及
图6是根据本发明实施例的基于来自空间监视系统中的传感器网格的反馈通过 对流体射流排列中的每个射流进行独立控制来控制燃烧和排放的过程的流程图。
元件列表
10发电系统
12锅炉系统
14空气
16燃料
18 再燃燃料(reburn fuel)
20 过燃空气(overfire air)
22热水
24蒸汽涡轮
26发电机
28空间监视网格
29传感器
30空间监视系统
32控制系统
34流量控制器组
36流量控制器
38流量控制器
40流量控制器
42流量控制器
44强制频率驱动器组
46强制频率驱动器
48强制频率驱动器
50强制频率驱动器
52强制频率驱动器
54空气射流
54A空气射流
54B空气射流
54C空气射流
54D空气射流
56燃料射流
56A燃料射流
56B燃料射流
56C燃料射流
56D燃料射流
58再燃燃料射流
60过燃空气射流
62A流量控制器
62B流量控制器
62C流量控制器
62D流量控制器
64A阀
64B阀
64C阀
64D阀
66阀
68A-X 阀
70A声强制装置
70B声强制装置
70C声强制装置
70D声强制装置
72A声强制装置
72B声强制装置
72C声强制装置
72D声强制装置
74声强制装置
76A-X声强制装置
78燃烧区
80主燃烧区
82再燃烧区
84燃尽区
86热交换器
88SNCR射流
90第一逻辑步骤
92第二逻辑步骤
94第三逻辑步骤
96第一方法步骤
98第二方法步骤
100第三方法步骤
102第四方法步骤
104第五方法步骤
106第六方法步骤
108第七方法步骤
110过程步骤
112过程询问方块
114过程步骤
116过程步骤
118过程步骤
120过程询问方块
122过程步骤
IM过程询问方块
126过程步骤
1 过程询问方块具体实施方式
将在下文中描述本发明的一个或多个具体实施例。为了提供这些实施例的简洁 描述，在说明书中可不描述实际实施的所有特点。应了解，在任何这种实际实施的开发 中，类似于任何工程或设计方案，必须做出许多实施特定的决定以实现开发者的特定目 标，例如遵守可能因实施方式而异的系统相关和商业相关的约束。此外，应了解，这种 开发努力可能是复杂和耗时的，但是对于受益于本公开内容的普通技术人员来说却是常 规的设计、制作和制造工作。
在介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”预期表示存在这些元件中的一个或多个。术语“包括”、“包含”和“具有”预 期是包括性的并且表示可存在所列出元件之外的额外元件。
如下文所讨论，燃烧控制系统的实施例利用来自空间监视系统的空间反馈来以 空间有效方式控制燃烧参数。换句话说，所公开的实施例可通过采集来自二维或三维传 感器网格的传感器反馈而采用闭环控制，以识别燃烧室中燃烧参数的空间变化，并且然 后控制影响燃烧参数的输入使其在空间上可变以改进燃烧和/或减少排放。例如，空间 传感器网格可包括燃烧和排放传感器，诸如温度传感器、压力传感器、速度传感器、氧 化氮(NOx)传感器、氧化硫60x)传感器、氧化碳(COx，例如CO和CO2)传感器、氧 气(O2)传感器、挥发性有机化合物(VOC)传感器、总烃(THC)传感器、微粒物质(PM) 传感器、电解质传感器、湿度传感器、NH3传感器或其任何组合。燃烧控制系统可持续 监视这些传感器或者以预先限定的间隔收集数据。在某些实施例中，燃烧控制系统可执 行提取采样，并且在一个或多个分析化学分析器中分析所采样的数据。
在某些实施例中，燃烧控制系统可通过独立地调整导向到燃烧室的多个流体射 流中一个或多个流体射流的强制频率、流率或两者而响应于传感器反馈。这些流体射流 可包括燃料射流、空气射流或者其组合。流体射流的独立控制选择性地使得强制频率、 流率或者两者在多个流体射流之中均勻或不均勻地分布。以此方式，所公开的实施例响 应于燃烧参数的空间变化，并且以影响燃烧参数的输入的空间变化进行响应。换句话 说，可仅仅利用一个或多个流体射流的强制频率的变化来提供输入的空间变化，或者可 通过改变多个流体射流之中的强制频率、流率或者两者(即，射流之中的不均勻分布)来提供输入的空间变化。应了解，所公开的实施例可用于锅炉、燃气涡轮发动机、压缩点 火发动机、火花点火发动机或任何其它燃烧系统。然而，在下文的讨论中，在锅炉的情 形下描述并示出所公开的实施例。
如下文所讨论，本发明的实施例提供实时的流体射流的闭环反馈控制，实时可 大体上描述为至少小于5秒、小于2秒、或者甚至更短的时间。在某些实施例中，控制 系统可经由预设算法使来自空间监视系统的传感器反馈与对单独流体射流参数所做的变 化相关。确定这种关系可允许控制系统通过神经网络实时地学习哪些设置对于实现低排 放、均勻燃烧条件等是最佳的。这种学习也可允许控制系统高效地更改用于正确射流的 正确参数，从而在检测到一个或多个预设限度中的误差时迅速实现最佳燃烧和均勻性。
现转至附图，图1是根据本发明实施例的可用于发电的示范性发电系统10的方 块图。发电系统10包括锅炉系统12，其燃烧空气14、燃料16、再燃燃料18和过燃空 气20的混合物以加热水22。水22转变成蒸汽并且用于驱动蒸汽涡轮M，其与发电机沈 协同发电。喷射到锅炉系统12内的燃料16和再燃燃料18可包括煤、汽油、柴油燃料、 油、天然气、丙烷、生物量等。燃料16与再燃燃料18可彼此相同或不同。例如，燃料 16可为利用载气喷射的粉煤，而再燃燃料18可为生物量。
所示的锅炉系统12包括空间监视网格观，其包括构造成测量燃烧参数的多个传 感器。燃烧参数可指示燃烧性能、燃烧均勻性、排放等。例如，传感器可包括燃烧和 排放传感器，诸如温度传感器、压力传感器、速度传感器、氧化氮(NOx)传感器、氧化 硫60x)传感器、氧化碳(CO和CO2)传感器，氧气(O2)传感器、挥发性有机化合物 (VOC)传感器、总烃(THC)传感器、微粒物质(PM)传感器、湿度传感器、电解质传感 器或者其任何组合。在某些实施例中，空间监视网格观包括处于二维或三维网格的任意 数量的每种类型的传感器。在图1中，在锅炉系统12内的每个水平虚线表示二维传感器 网格。总体上，这些多个二维网格表示锅炉系统12内的三维传感器网格。传感器可在 整个锅炉系统12上以均勻或不均勻的间距分布。例如，传感器可在高可变性区域中更靠 近地间隔，而在低可变性区域中更远离地间隔。同样，传感器可取决于锅炉设计、燃烧 特性等排列成多种样式。例如，传感器可排列成矩阵样式(例如，平行的行与列)，棋盘 样式(例如，交错的行与列)、环形样式(例如，多个传感器的同心环)或者任何其它合 适样式。
在示出的实施例中，在空间监视网格观中的每个传感器获得关于所测量参数的 数据，诸如在传感器所在的特定空间位置处的一氧化碳或氧气的水平，并且然后将这些 数据传输到空间监视系统30。在一些实施例中，空间监视系统30电子地接收、存储和 处理来自安置于空间监视网格观中的多个传感器的这些数据。也就是说，空间监视系统 30从空间监视网格观中的每个传感器接收指示传感器位置处的燃烧特性的不同信号。为 此，空间监视系统30可包括易失性或非易失性存储器，诸如只读存储器(ROM)、随机存 取存储器(RAM)、磁性存储器、光学存储器或者其组合。而且，多种控制参数与构造成 提供特定输出的代码一起可存储于存储器中。例如，空间监视系统30可编程以采集传感 器数据和以第一频率对传感器数据进行时间标示，并且以第二频率将数据输出到控制系 统32。应了解，第一频率和第二频率可彼此相同或不同，并且可取决于应用和特定设计 考虑而变化。然而，任何合适频率可用于第一频率和第二频率。
在某些实施例中，控制系统32可以以预定时间间隔或实时地从空间监视系统30 接收输出。控制系统32可包括存储器，诸如ROM、RAM、磁性存储器、光学存储器或 者其组合，以存储所接收的数据的全部或者子集。例如，在一些实施例中，控制系统32 可仅存储来自最新传感器测量的数据(例如，可仅针对前30分钟存储数据)，从而在更新 的数据变得可用时从其存储器消除历史数据。在这些实施例中，控制系统32可构造成如 果必要的话访问存储于空间监视系统30的存储器中的历史数据。在其它实施例中，控制 系统32可保持所有或更大量的历史数据作为控制锅炉系统12的基线。
在示出的实施例中，控制系统32联接到流量控制器组34，其包括独立的流量控 制器36、38、40和42 (例如，阀)，其中控制系统32构造成基于来自空间监视系统30 的空间反馈来独立地控制与空气14、燃料16、再燃燃料18和过燃空气20相关的流体流 量。此外，控制系统32联接到强制频率驱动器组44 (例如，扬声器、放大器和信号发生 器)，其包括独立的强制频率驱动器46、48、50和52，其中控制系统32构造成基于来自 空间监视系统30的空间反馈来独立地控制与空气14、燃料16、再燃燃料18和过燃空气 20相关的强制频率。转而，所示的实施例包括空气射流M、燃料射流56、再燃燃料射 流58和过燃空气射流60。在某些实施例中，每个射流M、56、58和60可表示围绕锅炉 系统12分布的单个射流或多个射流。空气射流M (或者空气射流组)接收沿着空气流动 路径流动的空气14，空气流动路径具有流量控制器36和强制频率驱动器46。燃料射流 56 (或者燃料射流组)接收沿着燃料流动路径流动的燃料16，燃料流动路径具有流量控制 器38和强制频率驱动器48。再燃燃料射流58 (或者再燃燃料射流组)接收沿着再燃燃 料流动路径流动的再燃燃料18，再燃燃料流动路径具有流量控制器40和强制频率驱动器 50。过燃空气射流60 (或者过燃空气射流组)接收沿着过燃空气流动路径流动的过燃空 气20，过燃空气流动路径具有流量控制器42和强制频率驱动器52。
控制系统32基于来自空间监视系统30的空间反馈、基线参数、预设限度、历史 数据等控制流体射流M、56、58和60 (或者流体射流组)的操作特性。如在下文中更详 细地讨论，控制系统32采用闭环控制以取决于空间反馈以均勻方式或者不均勻方式来改 变流体射流讨、56、58和60的流体流率和/或强制频率。例如，控制系统32可通过均 勻地增加或减少通过所有射流讨、56、58和60的空气14、燃料16、再燃燃料18和/或 过燃空气20的流率和/或强制频率以更改燃料/空气比、燃料/空气混合以及其它特性 而响应于燃烧传感器反馈中的空间变化(例如，温度或废气排放)。作为另一实例，控制 系统32可通过以不均勻方式独立地增加或减少通过每个单独射流M、56、58和60的空 气14、燃料16、再燃燃料18和/或过燃空气20的流率和/或强制频率而响应于燃烧传 感器反馈中的空间变化(例如，温度或废气排放)，从而定制对空间变化的响应。每个单 独射流M、56、58和60 (例如，流率和强制频率)的独立控制显著地改进在整个燃烧区 上燃料与空气的分布与混合，从而提供更均勻的燃料/空气混合物用于改进的燃烧和减 少的排放。例如，每个单独射流M、56、58和60 (例如，流率和强制频率)的独立控制 可显著地减少不合需要的低燃料/空气混合物或者不合需要的高燃料/空气混合物的穴区 (pocket)。因此，流体射流M、56、58和60的空间反馈与空间可调整特性的组合修改了 锅炉系统12中的燃烧过程。
控制系统32可基于来自空间监视系统30的空间反馈执行多种分析。例如，控8制系统32可识别每个监视的燃烧参数中时间与空间的趋势。作为另一实例，控制系统32 可识别一空间区域相对于周围空间区域逐渐增加或减少的燃烧参数。控制系统32也可使 空间监视网格观中的每个空间位置的多个燃烧参数彼此相关，并且比较在整个网格上每 个空间位置处的这些相关性。再次，控制系统32可执行多种分析来确立与射流M、56、 58和60相关的合适流率和强制频率。
如进一步示出，强制频率驱动器45的示范性实施例可包括信号发生器47、放大 器49和喇叭51或扬声器。信号发生器47构造成生成具有周期或频率的周期性波形信 号，周期或频率可响应于控制系统32的控制而变化。放大器49构造成响应于控制系统 32的控制来调整周期性波形信号的幅度，例如，增加或减小幅度。喇叭51构造成以所需 幅度输出周期性波形信号以形成声波，其构造成在声学上强制所排出的流体流以改变形 状、大小或混合特性。特别地，声波可引起在射流下游的大型结构(例如，漩涡)的形 成，从而改进流体射流的混合和空间影响。应了解，在组44中每个示出的强制频率驱动 器46、48、50和52可具有与强制频率驱动器45类似的构造。
在某些实施例中，控制系统32可调整强制频率驱动器45 (即，每个驱动器46、 48、50和52)以生成具有任何值或者在任何合适上限与下限之间的强制频率。例如，强 制频率可在大约0赫兹至1000赫兹、10赫兹至500赫兹、或者100至400赫兹之间变化。 同样，控制系统32可独立地调整每个驱动器46、48、50和52的强制频率以改变与从每 个相应射流讨、56、58和60排出的流体相关的大型结构、形状和混合。例如，控制系 统32可每次持续地或者递增地调整一个强制频率驱动器46、48、50或52的强制频率， 或者一致地调整多个驱动器。在使用连续调整的实施例中，强制频率可逐渐地改变强制 频率为任何合适值，但并不限于递增变化。在使用递增调整的实施例中，控制系统32可 以以任何合适增量，诸如以1、5、10、15、20、25、30、40或50赫兹的增量，来调整强 制频率。而且，控制系统32可经由放大器49来增加或减小强制频率的幅度。
如在上文中更详细地讨论，在示出实施例中的强制频率驱动器45包括信号发生 器47、放大器49和扬声器51。然而，在其它实施例中，强制频率驱动器45可包括迫使 所排出的流体流改变形状、大小或混合特性的其它构件。例如，强制频率驱动器45可包 括构造成以所需变化频率来振动或调制流体流的任何构件。例如，在一个实施例中，振 动阀可用于使流体流以所需频率振动。在另一实施例中，流体流的压力可以以所需频率 脉动。在这些实施例中，强制频率驱动器45可包括构造成改变流体流的声学性质的阀、 脉动机构、振动机构和/或调制机构。
图2是图1的锅炉系统12的实施例的示意图，示出响应于来自空间监视网格观 中的多个传感器的空间反馈，流量控制器组34和强制频率驱动器组44的闭环反馈控制。 在示出的实施例中，传感器四以三维网格排列于锅炉系统12中并且构造成测量整个锅炉 系统12上燃烧参数(例如，温度、排放等)的空间变化和时间变化。每个传感器四输 出数据至空间监视系统30以允许经由控制系统32对射流M、56、58和60实时地进行动 态控制，如前所述。因此，控制系统32使用来自空间监视系统30的空间数据以闭环进 行操作，以独立地调整射流M、56、58和60的操作特性(例如，强制频率、强制幅度、 流率等)从而改进燃烧性能并减少排放。
在示出的实施例中，每个空气射流ΜΑ、54B、MC或54D与不67同的流量控制器62A、62B、62C或62D (例如，阀)相关，流量控制器62A、62B、62C或62D构造成 控制将最终到达锅炉系统12的空气流量。例如，通过空气射流MA的空气流量由从控制 系统32接收不同信号的阀62A控制。同样，通过空气射流54B、MC和54D的空气流量 由从控制系统32接收不同信号的相应阀62B、62C和62D独立地控制。同样，在示出的 实施例中，每个燃料射流56A、56B、56C或56D与不同的阀64A、64B、64C或64D相 关，阀64A、64B、64C或64D构造成控制将最终到达锅炉系统12的燃料流量。例如， 通过燃料射流56A的燃料流量由从控制系统32接收不同信号的阀64A控制。同样，通 过燃料射流56B、56C和56D的燃料流量由从控制系统32接收不同信号的相应阀64B、 64C和64D独立地控制。此外，再燃燃料射流58与阀66相关，阀66构造成控制将最终 到达锅炉系统12的再燃燃料流量。同样，过燃空气射流60与阀68相关，阀68构造成 控制将最终到达锅炉系统12的过燃空气流量。同样，阀66和68响应于来自控制系统32 的不同信号。
在示出的实施例中，每个空气射流ΜΑ、54B、MC或54D也与不同的声强制装 置(例如，喇叭)70A、70B、70C或70D相关，声强制装置70A、70B、70C或70D构造 成控制将最终到达锅炉系统12的空气流的强制频率和幅度。例如，通过空气射流MA的 空气流的强制频率和幅度由从控制系统32接收不同信号的声强制装置70A控制。同样， 在示出的实施例中，每个燃料射流56A、56B、56C或56D与声强制装置72A、72B、72C 或72D相关，声强制装置72A、72B、72C或72D构造成控制将最终到达锅炉系统12的 燃料流的强制频率和幅度。例如，通过燃料射流56A的燃料流的强制频率和幅度由从控 制系统32接收不同信号的声强制装置72A控制。同样，再燃燃料射流58与声强制装置 74相关，声强制装置74构造成控制将最终到达锅炉系统12的再燃燃料流的强制频率。 而且，过燃空气射流60与声强制装置76相关，声强制装置76构造成控制将最终到达锅 炉系统12的过燃空气流的强制频率和幅度。
锅炉系统12接收经由射流M、56、58和60进入燃烧区78的燃料和空气输入。 在示出的实施例中，燃烧区78包括主燃烧区80、再燃烧区82和燃尽区84。然而，应当 指出的是，在其它实施例中，燃烧区78可不包括再燃烧区82和/或燃尽区84。主燃烧 区80接收、混合并燃烧燃料16与空气14的主燃料/空气混合物，从而形成热的燃烧产 物(例如，气体、微粒物质等)。这些燃烧产物可包括氧化硫60x)、氧化氮(NOx)、氧 化碳(COx，例如CO和C02)，碳、水、氮气、硫和汞，以及其它产物。再燃烧区82和 /或燃尽区84可用于减少不合需要的废气排放，诸如NOx。再燃烧区82典型地富含燃 料，从而减少在燃料中燃烧的碳量并且相比于不具有再燃烧区82的系统形成反应性更强 的环境。燃尽区84包含过燃空气20，其相比于不具有燃尽区84的系统便于减少不合需 要的燃烧气体副产物。在示出的实施例中，燃烧气体通常在下游方向上从主燃烧区80向 上流动到再燃烧区82，并且然后从再燃烧区82向上流动到燃尽区84。
燃烧气体在燃尽区84下游离开燃烧区78，并且然后沿着热交换器86和选择性 非催化还原(SNCR)射流88流动。热交换器86构造成从热燃烧产物向流体(例如，水 22)传热以生成热流体(例如，蒸汽)。然后热流体(例如，蒸汽)可用于在联接到发电 机26的蒸汽涡轮M中发电，如在上文中参看图1所讨论。SNCR射流88构造成喷射选 择性还原剂以还原锅炉系统12中的不合需要的排放(例如，NOx)。例如，选择性还原剂可包括能够在燃烧系统中存在氧的情况下选择性地还原NOx的多种化学物种。在某些 实施例中，选择性还原剂可包括尿素、氨、三聚氰酸、胼、乙醇胺、双缩脲、三缩尿、 三聚氰酸-酰胺等。
如图3所示，空间监视网格观可包括安置于燃烧区78的上游、内部和下游的 传感器网格四。例如，空间监视网格观可包括在主燃烧区80中的至少一个传感器网格 29,在再燃烧区82中的至少一个传感器网格四以及在燃尽区84中的至少一个传感器网 格四。每个传感器网格四可包括任意数量的各种类型的传感器。例如，每个传感器网 格四可包括500个温度传感器、500个NOx传感器、500个SOx传感器、500个CO传感 器、500个CO2传感器等。因此，在每个网格上的每个位置可包括任意数量的不同传感 器类型。以此方式，空间监视网格观提供燃烧性能和废气排放的空间指示。转而，空 间监视系统30将此空间数据传输到控制系统32，其利用为空间数据定制的方式控制燃料 和空气射流M、56、58和60。换句话说，如果空间数据指示在特定区域中需要更多空 气，则控制系统32可独立地控制合适空气射流M和/或60的空气流率以增加在该特定 区域中的空气浓度。同样，如果空间数据指示在特定区域需要更多燃料，则控制系统32 可独立地控制合适燃料射流56和/或58的燃料流率以增加在该特定区域中的燃料浓度。 最后，如果空间数据指示在特定区域中需要更多混合，则控制系统32可独立地控制合适 射流M、56、58和/或60的强制频率和/或强制幅度以增加在该特定区域中的大型结构 (例如，漩涡)。燃料射流的独立控制可包括不同的轴向位置、周向位置、径向位置或者 其任何组合。
图3是沿着图2的线3-3所截取的锅炉系统12的截面图，示出在空间监视网格 28中的传感器四的样式和围绕锅炉系统12安置的过燃空气射流60 (例如，射流60A至 60X)的排列。如图所示，每个过燃空气射流60联接到相应的强制频率驱动器76(例如， 驱动器76A至76X)和相应的流量控制器68 (例如，阀68A至68X)，所有这些可经由来 自控制系统32的独立控制信号进行调整。
如图所示，空间监视网格28包括横向延伸穿过锅炉系统12内部的传感器四。 在某些实施例中，传感器四在整个锅炉系统12内部等距地隔开，例如，在二维平面或者 三维空间上。例如，取决于锅炉系统12的大小和设计，空间监视网格观可使传感器四 彼此相对以大约5mm至5cm的偏移间隔开。同样，取决于应用，锅炉系统12可包括围 绕燃尽区84安置的大约1个至100个过燃空气射流60。在示出的平面中，锅炉系统12 包括围绕燃尽区84安置的M个过燃空气射流60 (例如，每个壁六个，但是不预期限制本 发明)。然而，在锅炉系统12中可采用任何合适数量或排列的射流60。
在操作中，控制系统32从网格观中的传感器四接收空间燃烧数据(例如，温 度、排放水平等)并且主动地响应于该空间燃烧数据以独立地控制过燃空气射流60。同 样，独立控制可包括一个或多个过燃空气射流60的强制频率、强制幅度和流率的变化， 从而改变这些过燃空气射流60对燃烧过程的空间影响。例如，控制系统32可仅主动地调 整与具有不合需要的燃烧参数(例如，高排放水平)的区域相邻的过燃空气射流60，而不 调整其它过燃空气射流60。特别地，控制系统32可调整每个空气射流60的强制频率、 幅度和流率以响应于特定空气射流60周围的空间数据来改变喷射的过燃空气的形状、大 小、渗透和混合特性。例如，如果空间燃烧数据指示需要过燃空气射流60更深的渗透，则控制系统12可经由阀68增加流率。作为另一实例，如果空间燃烧数据指示需要增加特 定区域中的混合，则控制系统12可调整强制频率和幅度以经由强制频率驱动器76造成更 大混合。应了解，控制情形实际上是无穷尽的，因为控制系统12构造成基于空间燃烧数 据彼此单独地或组合地、独立地控制每个射流60的流率、强制频率和强制幅度。因此， 通过独立控制，控制系统12能够在多个射流60之中调整这些射流特性(例如，流率、频 率和幅度)的空间分布。
尽管图3示出在燃尽区84中的过燃射流60和传感器四，但是在主燃烧区80和 再燃烧区82中可采用射流M、56和58以及传感器四的类似排列。例如，控制系统32 可响应于空间燃烧数据在整个燃烧区78上调整其它射流M、56和58的强制频率、强制 幅度和流率。同样，通过独立控制，控制系统12能够在多个射流M、56和58之中调整 这些射流特性(例如，流率、频率和幅度)的空间分布。
图4是根据本发明方面的通过基于来自空间传感器网格的反馈调整流体射流(例 如，声强制)来控制燃烧和排放的过程的流程图。例如，图4的方块表示可利用控制系 统32和空间监视系统30存储和执行的示范性逻辑。首先，在空间监视网格观中的传感 器四测量锅炉系统12中的参数，如由方块90所表示。这些参数传输到空间监视系统 30，其将空间燃烧数据实时地提供到控制系统32。控制系统32收集并分析来自锅炉系 统12中各个位置的空间燃烧数据，并且调整主动流体射流的流率、强制频率、强制幅度 和/或分布，如由方块92所表示。在某些实施例中，控制系统32可经由预设算法使从 空间监视系统30接收的传感器反馈与对单独流体射流参数所做的变化相关。以此方式， 控制系统32可学习传感器参数、所做调整和空间监视网格观之间的关系，如由方块94 所表示。也就是说，控制系统32可学习用于实现锅炉系统12的燃烧区78中的低排放和 /或均勻燃烧的设置。因此这种学习可允许控制系统32高效地更改用于正确射流的正确 参数。这种学习的技术效果包括在检测到偏离一个或多个参数的需要值时迅速改进燃烧 和均勻性的能力。
图5是根据本发明实施例的通过神经学习来控制燃烧和排放的过程的流程图。 同样，图5的方块表示可由控制系统32存储和执行以实现锅炉系统12的最佳设置的神经 学习的示范性逻辑。在示出的实施例中，控制系统32设置每个流体射流和空间监视网格 观内的每个传感器位置之间的第一关系，如由方块96所表示。例如，第一关系可与传感 器四与特定流体射流的接近性相关。在某些实施例中，第一关系可取决于相邻射流的间 距、燃烧区的大小，传感器的间距和其它因素。然而，第一关系可为受特定流体射流中 的变化影响的某些空间区域。
控制系统32然后设置每个传感器参数与影响传感器参数的流体射流调整之间的 第二关系，如由方块98所表示。例如，如果传感器测量温度或排放水平，则流体射流调 整可包括一个或多个流体射流的流率、强制频率、强制幅度或者其组合的变化。作为另 一实例，如果传感器参数涉及氧或燃料浓度，则流体射流调整可涉及一个或多个燃料或 空气射流的流率。同样，如果传感器参数涉及燃料/空气混合，则流体射流调整可涉及 流体射流的强制频率、强制幅度或分布。
在设置这些开始关系之后，测量在空间监视网格观中的传感器参数，如由方块 90所表示。如上文所讨论，传感器参数可包括多种燃烧或排放参数。例如，传感器参数可包括温度、压力、速度、氧化氮(NOx)、氧化硫60x)、氧化碳(CO和CO2)、氧 气(O2)、挥发性有机化合物(VOC)、总烃(THC)、微粒物质(PM)、湿度或者其任何组I=I O
控制系统32然后比较所测量的参数与预设需要值，并且识别不合需要的值及其 在空间监视网格中相关的位置，如由方块100所表示。然后主动流体射流的流率、强制 频率和/或分布可由控制系统32基于第一关系和/或第二关系来调整，如由方块102所表 示。控制系统32然后将测量空间监视网格观中的传感器参数以评估对调整的响应，如 由方块104所表示。然后，可基于系统对调整的响应(如由新的传感器测量所指示)来 修改第一关系和/或第二关系，如由方块106所表示。最后，在方块108，控制系统32 存储所修改的第一关系和/或第二关系。以此方式，控制系统32可学习对射流所做的调 整如何影响锅炉系统12中的排放和均勻燃烧条件。
图6是根据本发明实施例的基于来自空间监视系统中的传感器网格的反馈、通 过对流体射流排列中每个射流进行独立控制以控制燃烧和排放的过程的流程图。如图所 示，图6的每个方块表示可由控制系统32存储并执行以经由对单独射流的调整而优化燃 烧的示范性逻辑。逻辑始于检测空间监视网格观内多个位置的排放参数，如由方块110 所表示。排放参数可包括排放的浓度或水平，例如，氧化氮(NOx)、氧化硫60x)、氧 化碳(CO和CO2)、氧气(O2)、挥发性有机化合物(VOC)、总烃(THC)、微粒物质(PM) 或者其任何组合。
然后，控制系统32可比较第一位置处的检测的排放水平与空间网格内第一位置 处的预设限度，如由方块112所表示。如果所检测的排放水平不在预设限度之外，则控 制系统32可检测空间监视网格观内多个位置的性能参数，如由方块114所表示。如果 所检测的排放水平在预设限度之外，则对于与在预设限度之外的传感器位置相关的每个 射流，控制系统可输出信号用于空气14、过燃空气20、主燃料16、再燃燃料18或者其组 合的流率的调整，如由方块116所表示。对于与在预设限度之外的传感器位置相关的每 个射流，控制系统32还可调整空气14、过燃空气20、主燃料16、再燃燃料18或者其组 合的强制频率，如由方块118所表示。然后，控制系统32检查正在调整的射流是否为多 个射流中的最后一个，如由方块120表示。如果当前射流是多个射流中的最后一个，则 控制系统32可接着检测空间监视网格观内多个位置的性能参数，如由方块114所表示。 如果当前射流不是多个射流中的最后一个，则控制系统可继续到下一射流，如由方块122 所表示，并且如果必要的话调整与下一射流相关的参数。
一旦多个射流中的最终射流由控制系统32调整，控制系统32可继续检测空间监 视网格观内多个位置的性能参数，如由方块114所表示。控制系统32然后可比较第一 位置处的检测的性能参数与空间网格内第一位置处的预设限度，如由方块IM所表示。 如果所检测的性能参数不在预设限度之外，则控制系统32可检测空间监视网格观内多个 位置的任何其它相关参数，如由方块1 所表示。如果所检测的性能参数在预设限度之 外，则对于与预设限度之外的传感器位置相关的每个射流，控制系统可输出信号用于空 气14、过燃空气20、主燃料16、再燃燃料18或者其组合的流率的调整，如由方块116 所表示。对于与预设限度之外的传感器位置相关的每个射流，控制系统32也可调整空 气14、过燃空气20、主燃料16、再燃燃料18或者其组合的强制频率，如由方块118所13表示。然后，控制系统32检查正在调整的射流是否为多个射流中的最后一个，如由方块 120所表示。如果当前射流是多个射流中的最后一个，则控制系统32可接着检测空间监 视网格观内多个位置的其它相关参数，如由方块1 所表示。如果当前射流不是多个射 流中的最后一个，则控制系统可继续到下一射流，如由方块122所表示，并且如果必要 的话调整与下一射流相关的参数。
一旦多个射流中的最终射流由控制系统32调整，控制系统32可继续检测空间监 视网格观内多个位置的其它相关参数，如由方块1 所表示。控制系统32然后可比较第 一位置处的检测的相关参数与空间网格内的第一位置处的需要限度，如由方块1 所表 示。如果所检测的其它参数不在需要限度之外，则控制系统32可返回到方块110以重复 该过程。如果所检测的相关参数与预设限度相比是不合需要的，则对于与相比于预设限 度为不合需要的传感器位置相关的每个射流，控制系统32可输出信号用于空气14、过燃 空气20、主燃料16、再燃燃料18或者其组合的流率的调整，如由方块116所表示。对 于与相比于预设限度为不合需要的传感器位置相关的每个射流，控制系统32也可调整空 气14、过燃空气20、主燃料16、再燃燃料18或者其组合的强制频率，如由方块118所 表示。然后，控制系统32检查正在调整的射流是否为多个射流中的最后一个，如由方块 120所表示。如果当前射流是多个射流中的最后一个，则控制系统32可返回到方块110 以重复该过程。如果当前射流不是多个射流中的最后一个，则控制系统32可继续到下一 射流，如由方块122所表示，并且如果必要的话调整与下一射流相关的参数。
本发明的技术效果包括响应于空间传感器网格中的传感器反馈通过在声学上强 制、脉动、振动或者调制各种流体喷射而改进对燃烧和排放的控制。因此，所公开的实 施例可包括利用指令对控制器或装置进行独特地编程，以响应于空间传感器网格中的传 感器反馈而改变一个或多个流体射流的强制频率。流体射流可包括燃料射流、空气射 流、化学剂喷射射流或者任何其它合适的液体或气体射流。可基于传感器反馈独立地控 制流体射流，从而允许进行调整以应对空间变化。因此，控制器或编程装置能够以如下 方式响应于这些变化，即在燃烧区或燃烧区下游提供更大的均勻性。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳实施方式，并且使得本领域技术 人员能够实践本发明，包括做出和使用任何装置或系统和执行任何合并的方法。本发明 的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其 它实例具有并不与权利要求的字面语言不同的结构元件或者如果它们包括与权利要求的 字面语言并无实质不同的等效结构元件，这些其它实例预期在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种系统，包括燃烧系统(12)，其包括多个流体射流(54，56，58，60)；空间监视系统(30)，其包括安置于在所述燃烧系统(12)内或下游的空间网格(28)中 的多个传感器(29)；以及控制系统(32)，其构造成响应于来自所述空间监视系统(30)的传感器反馈来调整所 述多个流体射流(54，56，58，60)中的至少一个流体射流的强制频率。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，包括多个强制频率驱动器(46，48，50， 52)，其中每个强制频率驱动器联接到与所述多个流体射流(54，56，58，60)中的一个 相关的流体路径。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，包括多个驱动器(70A，70B，70C， 70D, 72A，72B，72C, 72D)，其中每个驱动器联接到与所述多个流体射流(54A， 54B，54C, 54D，56A，56B，56C, 56D)中的一个相关的流体路径，并且每个驱动器构 造成振动或调制沿着所述流体路径流动的流体。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个流体射流(54，56，58，60)包 括安置于所述燃烧系统(12)的不同位置处的多个燃料射流(56A，56B，56C, 56D)、多 个空气射流(54A，54B，54C, 54D)、或者其组合。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个传感器(29)包括安置于所述空 间网格(28)中的多个废气排放传感器、多个温度传感器、多个压力传感器、多个微粒传 感、多个湿度传感器、多个光学传感器、多个NO3Jt感器、多个SOJt感器、多个COx 传感器、多个NH3传感器或者其组合。
6.—种系统，包括燃烧控制系统(32)，其响应于在燃烧室(78)内或下游的空间网格(28)中多个位置处 的至少一个参数的传感器反馈，其中所述燃烧控制系统(32)构造成基于所述传感器反馈 来调整射流特性(92)，并且所述射流特性包括至少一个流体射流(54，56，58或60)的强 制频率或者多个流体射流(54，56，58，60)之中射流参数的分布。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述燃烧控制系统(32)构造成基于所述 传感器反馈(92)、在每个流体射流与所述空间网格之间的第一关系以及在所述传感器反 馈与对影响所述传感器反馈的射流特性的调整之间的第二关系来调整射流特性(102)。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述燃烧控制系统(32)构造成基于与对 所述射流特性的调整相关的所述传感器反馈来修改所述第一关系和所述第二关系(106)。
9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述燃烧控制系统(32)构造成基于所 述空间网格(28)中每个位置处的多个参数的所述传感器反馈来调整所述多个流体射流 (54，56，58，60)中的每个流体射流的强制频率。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述多个流体射流(54，56，58，60)包 括燃料射流(56)、空气射流(54)、化学剂射流(58)或其组合。全文摘要
本发明涉及使用空间反馈和射流声强制的燃烧控制系统和方法。该系统包括燃烧系统(12)，其具有多个射流(54，56，58，60)；空间监视系统(30)，其具有安置于在燃烧系统(12)内或下游的空间网格(28)中的多个传感器(29)；以及控制系统(32)，其构造成响应于来自空间监视系统(30)的传感器反馈来调整多个流体射流(54，56，58，60)中的至少一个流体射流的强制频率。
文档编号F23N1/02GK102022717SQ20101029351
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月15日 优先权日2009年9月15日
发明者W·R·西克 申请人:通用电气公司