燃气涡轮的无焰区域内的火焰探测的制作方法
【专利摘要】本发明涉及燃气涡轮的无焰区域内的火焰探测。当探测到光子时，与燃气涡轮(100)的燃烧器(120)的无焰区域光子通信的火焰探测器(201)可发射信号。控制器(210)可布置成从火焰探测器(201)接收信号并且可响应于该信号而判断是否指示无焰区域内的火焰存在。
【专利说明】燃气涡轮的无焰区域内的火焰探测
【技术领域】
[0001]本公开总体上涉及功率设备的控制，且更具体地涉及燃气涡轮的燃烧室上游的火焰探测。
【背景技术】
[0002]在发电过程中，通常使用燃气涡轮和联合循环功率设备在功率系统中产生电力。此类功率设备典型地包括从功率系统控制器接收例如作为由功率系统控制器生成的调度计划的一部分的期望输出或目标负荷的功率设备控制系统。功率设备控制系统将基于目标负荷来确定用于为了产生目标负荷而应该采取的功率设备的操作值的设定点。功率设备控制系统例如可确定用于燃气涡轮应该在该温度下操作以实现目标负荷的点火温度Tf的设定点。然而，一些范围的点火温度可产生不希望有的排气产物，取决于所采用的燃气涡轮的具体设计。
[0003]例如，参照图1，燃气涡轮10可包括压缩机12、燃烧器14和涡轮16。压缩机12将环境空气18压缩成压缩空气20，压缩空气20随同燃料22被供应给燃烧器14以形成燃料-空气混合物24。燃料-空气混合物24在燃烧器14中燃烧以形成被供应给涡轮16的加热气流26，涡轮16从加热气体提取能量以经由轴30驱动负荷28。轴30还可驱动压缩机12。燃气涡轮10可包括沿流动方向定位在压缩机12与涡轮16之间的一定数量的燃烧器14，使得空气流经压缩机12并经燃烧器14行进到涡轮16。典型地，压缩机12和涡轮16可沿燃气涡轮10的共同纵向轴线对齐，并且燃烧器14可围绕共同轴线呈圆形阵列布置，其中排放端位于通向涡轮16的进口处。
[0004]根据目标负荷、环境条件和其它因素，燃气涡轮可产生不希望有的排气成分，例如一氧化碳(CO)或氮氧化物(NOx)。为了减少此类不希望有的排气成分，开发了干式低一氧化二氮(DLN)燃烧器，其中燃料和空气在进入燃烧器的燃烧室中之前混合(“预混”)。例如，各燃烧器可包括压缩空气20和燃料22被导入其中以形成燃料-空气混合物24的预混室或区域32，燃料-空气混合物24接着可在燃烧器14的燃烧室或区域34内燃烧。将空气和燃料预混容许燃烧器针对给定效率和/或目标负荷以比较低的温度操作，这减少了燃烧过程期间不希望有的排气，如NOx的产生。
[0005]然而，可发生这种状态，在其中:在燃气涡轮的其中燃烧可损坏或损毁燃气涡轮的部件的区域内可发生火焰保持，其可引起燃气涡轮的不安全的操作状态或甚至灾难性的故障。已提出各种方案来探测火焰保持，使得可启动改良步骤，例如更改或停止燃料递送、改变点火温度、改变负荷、改变压缩机排气流量、改变压缩机排气流动条件和/或添加淬火剂或稀释剂。然而，此类方案典型地依赖于燃烧室中的火焰特性的探测和响应。另一些方案依赖于有关区域内的压降的探测。在两种情形中，仅对在不希望的位置的火焰保持进行提示，而不是直接探测。例如，火焰保持探测系统可使用光传感器，其例如经由连接到燃烧室中的观察端口上的纤维光缆与燃烧器的燃烧室进行光子通信。光传感器可以是照相机，其布置成捕捉燃烧室中的火焰图像，使得可例如通过光谱分析以探测指示火焰保持的燃烧产物的存在来针对火焰保持的特性对该图像进行检查。
【发明内容】
[0006]本文公开的发明的实施例可采取燃气涡轮火焰探测系统的形式，该燃气涡轮包括燃烧器，该燃烧器具有与空气源流体连通的入口、燃烧室和位于入口与燃烧室之间的无焰区域。该火焰探测系统可包括火焰探测器，其与无焰区域光子通信并且布置成响应于在无焰区域内发射的光子而发射信号。控制器可与火焰探测器通信，该控制器布置成判断火焰探测器信号是否指示无焰区域内的火焰存在并响应于火焰存在的指示而启动改良措施。
[0007]本发明的实施例还可采取具有压缩机和与压缩机流体连通的燃烧器的燃气涡轮的形式。燃烧器可布置成接收压缩机的排气并且至少一个燃料递送系统可布置成将燃料导入进入燃烧器的空气中以形成燃料-空气混合物。燃烧室可接收燃料-空气混合物并且可布置成容纳(host)燃料-空气混合物的受控燃烧。与无焰区域光子通信的火焰探测器可布置成响应于在无焰区域内发射的光子而发射信号。响应于接收来自火焰探测器的信号，与火焰探测器通信的控制器可判断该信号是否指示无焰区域内的火焰存在并且可响应于火焰存在的指示而启动改良措施。
[0008]另一实施例可包括一种燃烧器，该燃烧器包括与空气源流体连通的入口和限定从入口到燃烧室的流动路径的燃烧器壳体。燃烧室可布置成从流动路径接收燃料-空气混合物并容纳燃料-空气混合物的燃烧。该燃烧器可包括位于入口与燃烧室之间的流动路径中的无焰区域，并且与无焰区域光子通信的火焰探测器可布置成响应于接收来自无焰区域的光子而发射信号。布置成接收火焰探测器信号的控制器可判断该信号是否指示无焰区域内的火焰存在并且可响应于火焰存在指示而启动改良措施。
[0009]根据一实施例，一种燃气涡轮火焰探测系统，燃气涡轮包括燃烧器，燃烧器具有与空气源流体连通的入口、燃烧室和位于入口与燃烧室之间的无焰区域，火焰探测系统包括:火焰探测器，其与无焰区域光子通信并且布置成响应于无焰区域内发射的光子而发射信号；以及与火焰探测器通信的控制器，控制器布置成判断火焰探测器信号是否指示无焰区域内的火焰存在。
[0010]根据一实施例，火焰探测器包括:光子收集器，其布置成接收无焰区域内发射的光子；光子探测器；以及光子管道，其在光子管道的收集器端处与光子收集器并在光子管道的探测器端与光子探测器光子通信，使得无焰区域内发射的光子由光子收集器接收并经光子管道行进到光子探测器，光子探测器布置成响应于接收来自光子管道的光子而发射信号。
[0011]根据一实施例，光子收集器包括非成像镜头或纤维光缆中的至少一个。
[0012]根据一实施例，光子探测器包括半导体器件或光电二极管中的至少一个。
[0013]根据一实施例，无焰区域包括燃烧器的预混室并且火焰探测器布置成经由燃烧器的罩帽来监控预混室。
[0014]根据一实施例，无焰区域包括燃烧器的环形流动通路的至少一部分，并且火焰探测器围绕环形流动通路的圆周以角向间隔与无焰区域光子通信，以大致围绕对火焰探测器可见的无焰区域的整个圆周形成探测环带。
[0015]根据一实施例，至少两个火焰探测器与无焰区域光子通信，并且控制器响应于接收来自至少两个火焰探测器中的至少两个的信号而指示火焰。
[0016]根据一实施例，火焰探测器响应于具有在从约250纳米至约450纳米的预定范围内的波长的光子。
[0017]根据一实施例，预定范围为从约300纳米至约350纳米。
[0018]根据一实施例，一种燃气涡轮，包括:压缩机；燃烧器，其与压缩机流体连通并且布置成接收压缩机的排气；至少一个燃料递送系统，其布置成将燃料导入进入燃烧器的空气中以形成燃料-空气混合物；燃烧室，燃料-空气混合物传入其中且其布置成容纳燃料-空气混合物的受控燃烧；火焰探测器，其与无焰区域光子通信并且布置成响应于无焰区域内发射的光子而发射信号；以及与火焰探测器通信的控制器，控制器布置成判断来自火焰光子探测器的信号是否指示无焰区域内的火焰存在。
[0019]根据一实施例，火焰探测器包括:光子收集器，其布置成接收无焰区域内发射的光子；光子探测器；以及光子管道，其在光子管道的收集器端与光子收集器并在光子管道的探测器端与光子探测器光子通信，使得无焰区域内发射的光子由光子收集器接收并经光子管道行进到光子探测器，光子探测器布置成响应于接收来自光子管道的光子而发射信号。
[0020]根据一实施例，至少三个火焰探测器与无焰区域光子通信，并且控制器在来自至少两个火焰探测器的信号指示火焰存在时判断指示火焰存在。
[0021]根据一实施例，火焰探测器响应于具有在从约250纳米至约450纳米的预定范围内的波长的光子。
[0022]根据一实施例，一种燃烧器，包括:入口，其与空气源流体连通；燃烧器壳体，其限定从入口到燃烧室的流动路径，燃烧室布置成从流动路径接收燃料-空气混合物并容纳燃料-空气混合物的燃烧；位于入口与燃烧室之间的流动路径中的无焰区域；火焰探测器，其与无焰区域光子通信并且布置成响应于接收来自无焰区域的光子而发射信号；以及控制器，其布置成接收来自火焰探测器的信号并且构造成判断信号是否指示无焰区域内的火焰存在。
[0023]根据一实施例:至少三个火焰探测器与无焰区域光子通信；并且控制器响应于判断来自至少三个火焰探测器的至少两个信号指示火焰存在而判断指示无焰区域内的火焰存在。
[0024]根据一实施例，光子收集器包括非成像镜头。
[0025]根据一实施例，光子管道包括纤维光缆。
[0026]根据一实施例，光子探测器包括半导体器件。
[0027]根据一实施例，半导体器件包括光电二极管。
[0028]根据一实施例:至少三个火焰探测器与无焰区域光子通信；并且控制器响应于判断来自至少三个火焰探测器的至少预定预定数量的信号指示火焰存在而判断指示无焰区域内的火焰存在。
[0029]根据一实施例，来自至少三个火焰探测器的信号的预定数量为2。
[0030]本发明的其它方面提供了方法、系统、程序产品以及使用和生成其每一个的方法，其包括和/或实施文中描述的一些或全部措施。本发明的说明性的方面被设计成解决一个或多个文中所描述的问题和/或一个或多个未讨论的其它问题。【专利附图】
【附图说明】
[0031]本公开的这些和其它特征将从以下结合示出了本发明的各个方面的附图对本发明的各个方面的详细描述变得更加容易理解。
[0032]图1示出本文公开的发明的实施例可采用的传统燃气涡轮的示意图。
[0033]图2示出本文公开的发明的实施例中可产生和/或监控的若干燃烧产物的发射强度vs波长的曲线图。
[0034]图3示出包括根据本文公开的发明的实施例的火焰探测系统的燃气涡轮的示意图。
[0035]图4示出包括根据本文公开的发明的实施例的火焰探测系统的燃烧器的示意图。
[0036]图5示出用于若干燃烧产物的发射强度vs波长以及可在本文公开的发明的实施例中使用的碳化硅(SiC)的响应度VS波长的曲线图。
[0037]图6示出根据本文公开的发明的实施例的火焰探测系统的示意性立面图。
[0038]图7示出根据本文公开的发明的实施例的火焰探测系统的示意性立面图。
[0039]图8示出根据本文公开的发明的实施例的火焰探测系统的示意性截面图。
[0040]图9示出根据本文公开的发明的实施例的火焰探测系统的示意性立面侧视图。
[0041]图10示出根据本文公开的发明的实施例的火焰探测系统的示意性立面侧视图。
[0042]图11示出根据本文公开的发明的实施例的火焰探测系统的示意性立面侧视图。
[0043]图12示出根据本文公开的发明的实施例的火焰探测系统的示意性立面侧视图。
[0044]图13示出根据本文公开的发明的实施例的火焰探测系统的示意性立面侧视图。
[0045]图14示出根据本文公开的发明的实施例的火焰探测系统的操作方法的示意性流程图。
[0046]图15示出了根据本文公开的发明的实施例的用于实施火焰探测的计算环境的示意性框图。
[0047]应该注意的是，附图可未按比例绘制。附图旨在仅示出本发明的典型方面，且因此不应当被认为限制了本发明的范围。在附图中，各图之间同样的标号表示同样的元件。
[0048]详细说明参照附图通过示例的方式解释了本发明的实施例连同优点和特征。
[0049]部件列表 10燃气涡轮 12压缩机
14燃烧器 16涡轮 18周围空气 20压缩空气 22燃料
24空气-燃料混合物 26经加热的气流 28负荷 30轴
32预混室或区域34燃烧室或区域100燃气涡轮110压缩机111压缩机入口
112压缩机排气挡板(apron)/歧管
114压缩空气
115雾化系统或雾化器
120燃烧器
122燃烧器排气端
126燃烧器流动套筒
128燃烧衬套
130涡轮
140环形流动通路
142燃烧器外壳/流动套筒后部
144 罩帽(cap)
146燃烧器外壳/流动套筒前端
148预混室
150燃烧室
152燃料喷嘴
154空气-燃料混合物
160主燃料递送系统
170第二燃料递送系统
172第三燃料递送系统
182燃烧器外壳燃料喷射器
200火焰探测系统
201火焰探测器
202，202’，202”光子探测器
204光子收集器
206光子管道
210，210’，210”火焰探测系统控制器211 兀控制器(metacontroller)
212，212’，212” 指示器
220，220’，220” 探测环带
700火焰探测方法/火焰探测系统操作方法
框702监控/进行监控
框704与火焰/光子探测器通信
框706与火焰/光子探测器通信
框708与火焰/光子探测器通信
框710检查来自火焰/光子探测器的信号 框711继续监控/返回702 框712是否接收至少预定数量的信号？
框714信号强度是否至少为预定信号强度阈值？
框716指示无焰区域内的火焰存在
框718响应于火焰存在的指示
框720修改燃烧器和/或燃气涡轮的操作
框722关闭燃料系统
框724关闭燃烧器/燃气涡轮
800说明性环境
810计算机系统
812处理元件或单元(PU)
814输入/输出(I/O)元件
816存储元件
817通信通道
818火焰探测数据
820火焰探测程序
822模块
830 通信体系(arrangement)。
【具体实施方式】
[0050]本发明的方面提供了一种响应于探测到无焰区域内的光子而指示无焰区域内的火焰存在的火焰探测系统。如本文中所用，“无焰区域”是指燃烧器的燃烧室上游的任何区域和/或其中不希望火焰保持和/或火焰存在的区域。因此，无焰区域可包括在燃烧器的空气入口与燃烧室之间的流动路径的一部分，并且可包括其中采用燃料喷嘴和/或径向燃料喷射器的区域。
[0051]图2示出了包括羟离子(0H_)以及预混和扩散火焰烟灰辐射的，产物的三个范围的发射光谱。如图2中可见，羟离子在相对窄的波长范围(从约300nm到约330nm)上具有相对强烈的发射，而烟灰辐射的两个范围在较宽的波长范围(从约350nm到约450nm)上具有强度较低的发射。来自由扩散火焰产生的烟灰的发射典型地具有较短波长，而来自由预混火焰产生的烟灰的发射典型地具有较长的波长，取决于其中烟灰辐射的火焰的具体温度。此外，由于当存在少量氧气或不存在氧气时烟灰通常仅由预混火焰产生，因此预混烟灰发射的强度低于扩散烟灰发射。此外，烟灰的发射处于比羟离子长的波长带或范围或光谱内。特别地，两类烟灰都具有位于可见光范围(约380nm至约740nm)内的峰值强度，而羟离子几乎完全在紫外光范围(通常在约IOnm至约380nm)内发射。
[0052]由于羟离子是从燃烧器的无焰区域中的火焰保持和/或形成产生的，因此实施例可采用一个或多个火焰探测器，其带有非成像和/或成像光学器件，以捕获从无焰区域中的火焰气体、烟灰和/或其它辐射源发射的光子。在燃烧器的操作期间，在无焰区域或无焰区内应该不存在对未反应的燃料-空气混合物和/或热表面预期的红外波长和强度以外的光子。因此，该工况(regime)或无焰区域内的波长和/或强度的预定范围或光谱以外的光子的存在是火焰存在、允许外部光进入无焰区域的燃烧器中的缺口(breach)或打开的燃烧器壳体的强指标，其中任一个将表明燃烧器应该停机或修改其操作。因此，通过响应于一个或多个不希望和/或非预期的光子的探测而用信号通知无焰区域内的火焰存在，可保证需要停机、燃料-空气比率的改变和/或燃气涡轮负荷的若干条件。响应可通过观察到的光子信号、燃料特性、燃气涡轮操作、周围气氛数据和/或合适和/或希望的其它参数来引导。例如，对于弱信号和/或相对不反应的燃料/空气混合物可减少燃料，同时响应于强信号和/或相对起反应的燃料-空气混合物可立即关闭发动机或可修改和/或关闭探测到火焰的位置上游的燃料源。其它改良措施也是可能的。
[0053]参照图3，示出了上文关于图1所述并且可在其中实施实施例的燃气涡轮100的更具体的示例。与图1的更一般的示例一样，燃气涡轮100可包括压缩机110、燃烧器120和涡轮130。压缩机110和涡轮130可沿燃气涡轮100的共同纵向轴线对齐，并且多个燃烧器120可围绕共同轴线呈圆形阵列布置以排出到涡轮130中。在实施例中，燃烧器120可布置在如下文所述的压缩机排气挡板112中或穿过压缩机排气挡板112。实施例还可包括位于压缩机入口 111处的雾化器或雾化系统115，其可允许将淬火剂如水导入进入压缩机110的空气中，例如以提高功率和/或抑制火焰保持。
[0054]火焰探测系统200可布置成监控燃烧器120并且可包括与燃烧器120的不希望有火焰的部分一其可叫做或称为燃烧器120的无焰区域一光子通信的火焰探测器201。火焰探测器201可连接到火焰探测系统控制器201上，使得当火焰探测器201接收在燃烧器120的无焰区域内发射的光子时，火焰探测器201可向火焰探测系统控制器210发送信号。火焰探测系统控制器210可判断从火焰探测器201接收的信号是否指示无焰区域内的火焰存在，即是否已探测到火焰。在实施例中，信号的接收可解释为指示火焰存在，而在另一些实施例中，可将信号的强度和/或强烈程度与预定阈值进行比较，以使得高于预定阈值的强度和/或强烈程度可解释为指示火焰存在。火焰探测系统控制器210可通过例如启动改良措施，如提供利用指示器212指示火焰探测和/或存在的信号、启动燃烧器120的燃料-空气比率的更改、启动燃烧器120的停机、启动整个燃气涡轮100的停机和/或另一种合适的响应来对火焰存在的指示作出响应。
[0055]火焰探测器201可包括至少一个光子探测器202，该光子探测器202可包括响应于被一个或多个光子撞击而产生信号的任何合适的感测器件或探测器，例如光敏电阻、光电二极管、光电管、电荷耦合器件、改型视网膜单元和/或目前已知和/或将来发现和/或开发的任何其它合适的光子响应感测器件。虽然在实施例中光子探测器202可安装在燃烧器120上和/或其中，例如如在图4中可见，但燃烧器120的操作期间来自燃烧的热可带来例如可由热光子发射和/或机械振动诱发和/或可损坏光子探测器202的电子噪声。因此，可希望将光子探测器202定位成与燃烧器120相距一定距离并与安装在燃烧器120上的光子收集器204光子连接。例如，光子管道206，如纤维光缆可提供在光子收集器204与光子探测器202之间的光子通信。在燃烧器120中发射的光子因此可被光子收集器204接收和/或收集并经光子管道206行进到光子探测器202。
[0056]由于在探测到火焰的情况下可能的响应严重程度，实施例可采用两个或更多火焰探测器201来降低虚假肯定火焰探测的可能性，如下文将结合图7-13所述。特别地，使用三个或更多火焰探测器201可使火焰探测系统控制器210能使用不存在可能不确定的平局表决(tie vote)(—个为肯定,一个为否定)的可能性的表决处理。因此，实施例中的火焰探测系统200的表决可仅在从火焰探测器201接收至少预定数量的信号如两个或更多信号时才指示火焰探测/存在。此外，虽然图3的示例性火焰探测器201示出了用于一个光子探测器202的一个光子收集器204，但应该理解，多个光子收集器204可与一个光子探测器202光子连接，一个光子收集器204可与多个光子探测器202光子连接，和/或可采用这些布置的任意组合。
[0057]参照图4，燃烧器120可包括燃烧器流动套筒126，燃烧器衬套128可布置在其内，使得环形流动通路140可形成在燃烧器流动套筒126与燃烧器衬套128之间。燃烧器流动套筒126的后部142可延伸到压缩机排气歧管112中并且可渗透，使得压缩空气114可进入环形流动通路140并朝位于燃烧器流动套筒126的前端146处的罩帽144行进。例如，燃烧器流动套筒126的后部142可包括通孔、网眼、筛网或其它结构，以使其可渗透压缩空气114。燃烧器流动套筒126的后部142因此可视为燃烧器120的入口。在燃烧衬套128内，预混室148和燃烧室150可形成为使得压缩空气114经环形流动通路140从后部142流到罩帽144，此处流动可转向并经预混室148行进到燃烧室150，并最终经排气端122行进到涡轮130 (图3)。
[0058]在实施例中，另外参照图4，罩帽144可支承一个或多个燃料喷嘴152，其均可布置成将空气、燃料和/或添加剂，如稀释剂或淬火剂预混成空气-燃料混合物。燃料喷嘴152可围绕燃烧器120的纵向轴线例如呈环形阵列安装在罩帽144中，从而突出到预混区域148内并朝燃烧室或燃烧区域150突出。在正常操作期间，压缩空气114可在经过或绕过(多个)燃料喷嘴152和/或经过预混区域148之后进入燃烧区域150，以变成燃料-空气混合物154的一部分，燃料-空气混合物154接着在燃烧室150中燃烧。为便于和/或增强燃料和空气的混合，各燃料喷嘴152可包括旋流装置(未示出)，例如导叶或其它特征，其可诱发在流经燃料喷嘴152和/或在其周围流动的空气中的湍流和/或旋涡。
[0059]根据燃气涡轮100的具体设计，各燃料喷嘴152可供应若干不同燃料、燃料混合物和/或添加剂并从若干递送系统或以若干模式递送此类燃料和/或添加剂。在一些燃气涡轮中，可采用三个或更多燃料递送系统或模式，例如主燃料递送系统160、第二燃料递送系统170和/或第三燃料递送系统172。一些燃烧器可采用定位在燃料喷嘴的上游的附加燃料喷射器，以进一步改善排放性能和/或可操作性。例如，实施例可采用燃烧器外壳燃料喷射器182，其布置成在燃料到达作为环形四元(quaternary)燃料递送系统的一部分的燃料喷嘴152之前将燃料喷射到环形流动通路140中。利用燃烧器外壳燃料喷射器预混燃料和空气典型地被用来减少NOx排放，但还可缓解燃烧器不稳定，提供更好的燃料/空气混合，并提高下游燃料喷嘴的火焰保持裕度。
[0060]实施例中的燃料递送模式与燃料递送系统的不同之处可在于燃料递送模式可代表均来自相应递送系统的(多种)燃料、空气、(多种)稀释剂和/或其它成分和/或添加剂的组合，以支持燃气涡轮100的特定操作方式或操作范围。此外，各燃料喷嘴152和/或喷射器182可例如在燃料递送系统的指引下、按照燃料递送模式和/或在燃气涡轮控制系统的指引下递送不同燃料和/或燃料和/或稀释剂和/或其它成分和/或添加剂的不同混合物。在实施例中，燃料递送在燃料喷嘴152和182之中的分布还可例如通过对一个或多个喷嘴152和/或喷射器182使用不同流速而随燃料递送模式和/或其它操作状况变化。在这些情形中的每一种中，燃料组分的变化、由燃料喷嘴152或喷射器182递送的混合物和/或燃料喷嘴152和/或182之中的递送分布可对燃烧器120中的火焰保持潜力有影响。
[0061]如上所述，前述火焰探测技术依赖于对燃烧室中发生什么情况的分析。在一些情况下，此类技术利用特定燃烧产物的发射光谱，其可如上文关于图2所述指示火焰保持正在发生或即将发生。由于羟离子典型地是从燃烧器的无焰区域内的火焰保持和/或形成产生的，因此实施例可采用对例如在从约250nm至约450nm的预定范围上且特别是在从约300nm至约350nm的预定范围上的紫外光福射敏感的光子探测器202。实施例还可采用对更窄的带或例如从约305nm至约320nm的预定范围敏感的光子探测器202。此外，由燃烧器120的部件所产生的红外光子，例如来自已被加热到高于例如燃料-空气混合物的进入温度的金属元件的热发射将具有较短的波长，也就是更靠近烟灰发射工况。实施例可采用对此类红外光子敏感的光子探测器，使得超过预定背景级别的一定级别的红外光子可指示无焰区域内的火焰。
[0062]参照图5，示出了与图2的发射光谱叠加的对于碳化硅(SiC)的响应度vs波长的曲线。SiC是一种已在包括各种类型的光子探测器的许多类型的半导体器件中呈现效用的材料。如在图5中可见地，SiC特别是对在从约200nm至约350nm的范围内的紫外光辐射作出响应，其中响应度在羟离子发射的相同范围上相当高。同时，SiC对由烟灰发射的波长不是特别响应。因此，SiC是可在光子探测器202中用来探测由羟离子发射的光子，如通过火焰产生和/或保持而产生的光子的材料的示例。虽然已将SiC作为示例示出，但可采用具有合适的响应度和/或带隙的其它材料，例如氮化镓(GaN)、经过滤和/或未经过滤的二氧化钛(Ti02)、氮化铝镓(AlGaN)、硫化锌(ZnS)、金刚石和/或如可用来特别是探测紫外光辐射的目前已知和/或将来发现的其它合适的无机和/或有机材料。
[0063]虽然前述技术监控燃烧器的燃烧室，但实施例代之以监控不希望有火焰的区域，即可共同包括燃烧器120的无焰区域的区域，如上所述。例如，参照图3和图4，燃烧器120的这种无焰区域内可包括环形流动通路140、罩帽144和预混室148的一部分。实施例部署火焰探测系统200来监视这种无焰区域，特别是预混室148和/或环形流动通路140，不过实施例可采用火焰探测器201来适当地和/或按需监控如图4中可见的无焰区域内的各种其它位置中的任何位置。然而，由于燃烧器外壳燃料喷射器182上游的火焰保持和/或形成的可能性很低，因此实施例的无焰区域无需从燃烧器入口延伸到燃烧室150的进口，使得可不包括预混室148和/或可不包括环形流动通路140在燃烧器外壳燃料喷射器182上游的部分。
[0064]根据实施例的火焰探测系统200的一个安装示例在图6中示出，其中火焰探测器201可经由罩帽144监控预混室148。这里，火焰探测器201可具有与安装在罩帽144上的光子收集器204光子通信的一个或多个光子探测器202。各光子收集器204可突出到预混室148的一部分中，该部分是燃烧器120的无焰区域的一部分，其可允许预定波长范围的光子能够从环形流动通路140和/或预混室148到达各光子收集器204。光子管道206，如纤维光缆可提供在光子收集器204与光子探测器202中的一个或多个之间的光子通信。例如，光子管道206可例如经由棱镜208等和/或通过连接到各光子探测器202上的光纤束与全部光子探测器202光通信。火焰探测器201可连接到火焰探测系统控制器210上，并且可响应于从无焰区域接收光子而向控制器210发送信号。这种信号通常可随由光子探测器202接收的发射的强度而变化，使得较低数量的光子将产生比较弱的信号，而较大数量的光子将产生较强的信号。
[0065]控制器210可判断来自火焰探测器201的信号是否指示无焰区域内的火焰存在。例如，信号的接收可解释为指示火焰存在，不过在实施例中，信号可还必须具有大于预定阈值强度的强度以解释为指示火焰存在。控制器210可响应于指示火焰存在而行动。例如，控制器210可响应于火焰存在的指示而启动改良措施，例如提供信号、从而启动指示器212、更改燃料-空气比率、关闭燃烧器120和/或燃气涡轮100和/或其它合适的响应，如上所述。如上文进一步所述，为了降低采用多于一个光子探测器202的实施例中的虚假肯定火焰探测的可能性，控制器210可采用由光子探测器202表决的形式，使得仅在控制器210接收来自至少预定数量的火焰探测器201和/或光子探测器202的信号时才指示火焰探测。例如，在其中使用了三个光子探测器202且其连接到单个光子收集器204上的图6中所示的示例中，控制器210可在从至少两个光子探测器202接收信号时指示火焰探测。在图6的示例中，表决不仅可避免虚假肯定探测，而且还可克服失效的光子探测器202。在其中期望另外的保证的实施例中，可包括更多火焰探测器201。在此类实施例中，由控制器210在火焰探测器表决中使用的预定数量仍可为2，但也可更高。
[0066]根据实施例的火焰探测系统200的安装的另一个示例在图7中示出。图7中所示的示例与图6所示的示例相似，但包括三个火焰探测器201以经由罩帽144监控预混室148。各火焰探测器201可具有与例如围绕罩帽144以规则间距安装在罩帽144上的相应光子收集器204光子通信的光子探测器202。光子管道206，如纤维光缆可提供在光子收集器204与光子探测器202之间的光子通信，并且虽然在图7中示出一对一连接，但光子收集器204中的一个或多个可以以与图6中所示的示例相似的方式连接到多个光子探测器202上。提供多于一个火焰探测器201和/或多于一个光子探测器202在实施例中提供一种形式的冗余，但还可提供关于火焰形成的位置的指示。例如，可利用信号强度来判断哪一个火焰探测器201和/或光子探测器202监视最接近光子源的区域，可利用被监控区域与光子探测器之间的关联来确定位置，和/或可采用三角测量等来确定光子源的大致位置。各火焰探测器202可连接到火焰探测系统控制器210上，并且可响应于接收来自无焰区域的光子而向控制器210发送信号。这种信号典型地可随由光子探测器202接收的发射的强度而变化，使得较低数量的光子将产生比较弱的信号，而较大数量的光子将产生较强的信号。
[0067]根据实施例的火焰探测系统200的安装的又一个示例在图8中可见。图8的布置与图7的布置之间的主要差别是光子收集器204的布置。更具体地，光子收集器204可例如围绕燃烧器流动套筒126以规则间隔安装在燃烧器流动套筒126上。各光子收集器204可突出到环形流动通路140的一部分中，该部分是燃烧器120的无焰区域的一部分，不过仅需预定波长范围的光子能够从环形流动通路140和/或预混室148到达各光子收集器204。与图6中所示的示例一样，光子管道206提供在各光子收集器204与光子探测器202之间的光子通信，其可连接到火焰探测系统控制器210上，使得各火焰探测器201和/或光子探测器202可响应于从无焰区域接收光子而向控制器210发送信号。在希望另外的保证的实施例中，可包括更多火焰探测器201和/或光子探测器202，并且在此类实施例中，在火焰探测器201和/或光子探测器表决中由控制器210使用的预定数量仍可为2，但也可更高。此外，尽管将各收集器204示为连接到一个光子探测器202上，但应该理解，任意或全部收集器204可例如以上文关于图6中所示的示例所述的方式连接到多于一个光子探测器202上。
[0068]由于各光子收集器204可具有有限的视野和/或有限的范围，因此诸如图8中可见的装置的光子收集器204可形成探测环带220，如图9中所示。通过将两个或更多此类装置彼此相邻地布置，并通过使它们之间重叠，可实现无焰区域的增强的保证。此类布置的示例在图10-13中示出并采用火焰探测器和控制器的各种构型。
[0069]如在图10中可见，三个探测环带220、220’、220”均可具有三个光子探测器202、202’、202”，其在实施例中可交替或以其它方式改变相应光子收集器的位置，以进一步增强保证。在图10中，各探测环带220、220’、220”可具有其自身的火焰探测系统控制器210、210’、210”，其可判断是否在其相应监控的无焰区域的部分中指示火焰存在。另外，各控制器210、210’、220”可启动措施和/或提供火焰探测的独立指示。备选地，如在图11中可见，控制器210、210’、210”均可连接到元控制器211，元控制器211可判断在无焰区域的任何被监控部分中是否指示火焰存在。这里，“元控制器”是指响应于另一个或另一些控制器的控制器，其在实施例中还可控制其它控制器。元控制器211可响应于火焰存在的指示而启动措施和/或提供火焰探测的指示。在图11的布置中，元控制器211例如可响应于接收来自控制器210、210’、210”中的一个的指示或信号而启动措施和/或指示火焰探测，或可采用上述表决的变体。为了增强表决和/或虚假肯定的减少，和/或减少收集器204和/或探测器202的数量，各收集器204可连接到多个探测器202、202’、202”上，如图12中所示。尽管图12对各环带220、220’、220”示出仅一个收集器，但应该理解的是，可为各环带采用任何合适或期望数量的收集器和/或探测器。另一备选方案在图13中可见，其中一个控制器210从所有探测环带220、220’、220”的光子探测器202接收信号。同样，可采用表决来减少虚假肯定，并且任何或全部收集器可连接到多于一个探测器202上。此外，可基于例如哪一个或哪些探测环带探测到火焰和/或基于信号来自哪一个(哪些)探测器来确定光子源的位置。
[0070]如在图14中可见，火焰探测系统200的操作方法700可包括例如通过使用火焰探测系统控制器210监控来自一个或多个火焰探测器201的信号来监控(框702)。因此，实施例可与一个或多个火焰探测器201 (框704-708)通信并检查火焰探测器信号(710)。如果尚未接收火焰探测器信号，则监控可继续(框711，回到框702)。如果已接收火焰探测器信号，则实施例可检查是否已从至少预定数量的探测器，如两个探测器中的每一个接收信号(框712)。如果接收少于预定数量的信号，则监控可继续(框711，回到框702)。如果接收至少该预定数量的信号，则可进行检查以判断各接收的信号的强度是否至少与预定阈值信号强度一样强(框714)。在实施例中，如果任何接收的信号强度低于阈值强度，则监控可继续(框711，接着转入框702)。在另一些实施例中，如果少于该预定数量的信号至少与阈值信号强度一样强，则监控可继续。如果框714中的检查产生至少该预定数量的具有等于或高于阈值信号强度的强度的信号，则可指示在无焰区域内的火焰探测(框716)，即，可判断指示火焰存在。在实施例中，可作出对火焰存在的指示的响应和/或可采取改良措施(框718)。例如，可例如通过修改燃料-空气比率来更改或修改燃烧器120和/或燃气涡轮100的操作(框720，接着转入框711和702以继续监控)，可关闭燃料系统(框722)，可关闭燃气涡轮100 (框724)，和/或可适当地和/或按需开始进行另一响应。因此，实施例实现响应于探测到预定的波长和/或强度范围以外的光子，如非红外光子而用信号通知无焰区域内存在火焰，除了在无焰区域内的火焰形成外，这还可保证需要燃烧器和/或涡轮操作的关闭或更改的若干条件。在实施例中，该响应可基于所观察到光子信号的存在和/或强度、燃料特性、燃气涡轮操作和周围气氛数据和/或其它相关特性和/或数据。例如，对弱光子信号和相对不起反应的燃料/空气混合物可减小燃料-空气比率，而对响应于强光子信号、相对起反应的燃料/空气混合物和/或其它相关特性和/或数据的检查(inspection)可关闭整个燃气涡轮。
[0071]实施例可改变借以判断指示火焰存在的标准。因此，尽管已将图14的方法描述为响应于至少预定数量的至少与预定阈值一样强的火焰探测器信号而判断指示火焰存在，但这些条件中的一些可省略和/或修改。例如，参照图14，接收火焰探测器信号本身(如在框710中判断的)可足以判断指示火焰存在(通向框716的虚线)。备选地，实施例可包括必须从至少预定数量的探测器接收信号(从框710到框712到框716)，或可忽略一定数量的所接收的信号并检查一信号是否至少与预定阈值强度一样强(从框710到框714到框716)。
[0072]来看图15，示意性地示出根据本发明一实施例的用于火焰探测计算机程序产品的说明性环境800。在这方面，环境800包括计算机系统810，例如火焰探测系统200、控制器210和/或可为燃气涡轮的一部分的其它计算器件，其可执行如文中所述的处理以便执行根据实施例的火焰探测方法。特别地，计算机系统810被示出包括火焰探测程序820，其使计算机系统810可操作以通过执行文中所述的处理来管理火焰探测控制系统或控制器中的数据，例如上述火焰探测方法700的实施例。
[0073]计算机系统810被示出为包括处理元件或单元(PU)812(例如，一个或多个处理器)、输入/输出(I/O)元件814(例如，一个或多个I/O接口和/或器件)、存储元件816(例如，存储层级)和通信通道817。一般而言，处理元件812执行程序代码，例如火焰探测程序820，其至少部分地固定在存储元件816中，存储元件816可包括一个或多个计算机可读的存储媒体或器件。在执行程序代码的同时，处理元件812可处理数据，这可引起从存储元件816和/或I/O元件814读取数据和/或向其写入转换的数据以便进一步处理。通道817提供在计算机系统810中的各元件之间的通信链路。I/O元件814可包括一个或多个人工I/O器件，其使人类用户能够与计算机系统810和/或一个或多个通信器件交互，以使系统用户能够利用任何类型的通信链路来与计算机系统810通信。此外，I/O元件814可包括一个或多个传感器，例如上述火焰探测器201。在实施例中，例如网络硬件/软件的通信体系830使计算器件810能够与其所安装的节点内和外的其它器件通信。在这方面，火焰探测程序820可管理使人类和/或系统用户能够与火焰探测程序820交互的成组接口(例如，(多个)图形用户接口、应用程序接口和/或类似物)。此外，火焰探测程序820可利用任何方案来管理(例如，存储、取回、形成、操纵、组织、呈现等)数据，例如火焰探测数据818。在实施例中，可从一个或多个传感器如上述火焰探测器201接收数据。
[0074]计算机系统810可包括安装在其上的能够执行程序代码如火焰探测程序820的一个或多个通用计算制品(例如，计算器件)。如文中所用，应该理解的是，“程序代码”是指采用任何语言、代码或符号的任何指令集，其使计算器件具有信息处理能力以直接或在以下事件的任意组合之后执行特定措施:a)转换为另一种语言、代码或符号；b)以不同的材料形式复制；和/或(C)解压。另外，计算机代码可包括目标代码、源代码和/或可执行代码，并且在位于至少一个计算机可读媒体上时可形成计算机程序产品的一部分。应该理解的是，术语“计算机可读媒体”可包括目前已知或今后开发的任何类型的有形表达媒体中的一个或多个，计算器件可从其认知、复制或以其它方式传达程序代码的副本。例如，该计算机可读媒体可包括:一个或多个便携存储制品，包括存储器件；计算器件的一个或多个存储器/存储元件；纸；和/或类似物。存储器/存储元件和/或存储器件的示例包括磁性媒体(软盘、硬盘驱动、磁带等)、光学媒体(压密盘、数字多功能/影碟、磁光盘等)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存ROM、可擦写可编程只读存储器(EPROM)或目前已知和/或今后开发和/或发现的任何其它有形计算机可读存储媒体，计算机程序代码存储在其上且可利用其将计算机程序代码加载到计算机中并由计算机执行。当计算机执行计算机程序代码时，其变成用于实施本发明的设备，并且通过带有计算机代码段的微处理器的构型在通用微处理器上形成专用逻辑电路。
[0075]可执行指令的技术效果是实施火焰探测方法和/或系统和/或计算机程序产品，其使用火焰探测器来针对火焰保持和/或形成来监控燃气涡轮中的无焰区域，特别是在燃烧器入口与燃烧室之间的燃烧器的区域内。火焰探测器可在接收预定波长范围内的光子时发射信号，该信号可由控制器接收，控制器可启动指示器和/或启动另一措施，例如关闭燃烧器的至少一部分和/或燃气涡轮发动机。在使用多个火焰探测器的情况下，可使用表决设置来避免虚假肯定火焰探测。
[0076]计算机程序代码可被写入可由控制器执行的例如采用任何编程语言编码的软件形式的计算机指令中。合适的计算机指令和/或编程语言的示例包括但不限于汇编语言、Verilog.Verilog HDL(Verilog硬件描述语言)、超高速集成电路硬件描述语言(VHSIC HDL或 VHDL)、FORTRAN (公式翻译)、C、C++、C#、Java、ALGOL (算法语言)、BASIC (初学者通用符号指令代码)、APL (编程语言)、ActiveX、Python、Perl、php、Tcl (工具命令语言)、HTML (超文本标记语言)、XML(可扩展标记语言)以及这些和/或其它目前已知和/或今后开发和/或发现的语言中的一个或多个的任意组合或衍生物。在这方面，火焰探测程序820可实施为系统软件和/或应用软件的任意组合。
[0077]此外，火焰探测程序820可利用成组模块822来实施。这种情况下，模块822可使计算机系统810能够执行由火焰探测程序820使用的成组任务，并且可单独开发和/或与火焰探测程序820的其它部分分开实施。如本文中所用，术语“元件”是指带或不带软件的硬件的任何构型，其利用任何方案来实施结合其描述的功能，而术语“模块”是指使计算机系统810能利用任何方案来实施结合其描述的措施的程序代码。当固定在包括处理元件812的计算机系统810的存储元件816中时，模块是实施措施的元件的实质性部分。无论如何，应该理解的是，两个或更多元件、模块和/或系统可共用它们相应的硬件和/或软件中的一部分/全部。此外，应该理解的是，本文中讨论的一些功能可不实施或可包括另外的功能作为计算机系统810的一部分。
[0078]当计算机系统810包括多个计算器件时，每个计算器件都可仅将火焰探测程序820的一部分固定在其上(例如，一个或多个模块822)。然而，应该理解的是，计算机系统810和火焰探测程序820仅代表可执行本文中描述的处理的各种可能的同等计算机系统。在这方面，在另一些实施例中，由计算机系统810和火焰探测程序820所提供的功能可至少部分地由包括带或不带程序代码的通用和/或专用硬件的任意组合的一个或多个计算器件实现。在各实施例中，如果包括的话，硬件和程序代码可分别使用标准工程技术和编程技术来创建。
[0079]无论如何，当计算机系统810包括多个计算器件时，计算器件可在任何类型的通信链路上通信。此外，在执行本文中描述的处理时，计算机系统810可利用任何类型的通信链路与一个或多个其它计算机系统通信。在任一情况下，通信链路可包括各种类型的有线和/或无线链路的任意组合；包括一个或多个类型的网络的任意组合；和/或利用目前已知和/或今后开发和/或发现的各种类型的传输技术和协议的任意组合。
[0080]如本文中所述，火焰探测程序820使计算机系统810能够实施例如在图14中示意性地示出的火焰探测产品和/或方法。计算机系统810可使用任何方案来获得火焰探测数据818。例如，计算机系统810可生成和/或用来生成火焰探测数据818，从一个或多个数据存储器取回火焰探测数据818，从位于燃气涡轮、火焰探测、火焰探测系统和/或类似物的内部或外部的另一系统或装置，如一个或多个传感器201接收火焰探测数据818。
[0081]在另一实施例中，本发明提供了一种提供程序代码如火焰探测程序820(图15)的副本的方法，该方法实施一部分或全部本文中描述的处理，例如在图14中示意性地示出并参照图14描述的处理。这种情况下，计算机系统可处理程序代码的副本，该程序代码实施一部分或全部本文中描述的处理，以生成并传输用于在第二不同位置接收的成组数据信号，该组数据信号以对该组数据信号中的程序代码的副本进行编程的方式设定和/或改变其一个或多个特性。类似地，本发明的一实施例提供了一种获取实施一部分或全部文中所述的处理的程序代码的副本的方法，该方法包括计算机系统接收文中描述的成组数据信号，并且将该组数据信号转换成固定在至少一个有形计算机可读媒体中的计算机程序的副本。在任意情况下，该组数据信号可利用任何类型的通信链路来传输/接收。
[0082]在又一实施例中，本发明提供了一种生成用于实施火焰探测产品和/或方法的系统的方法。这种情况下，可获得(例如，创建、维持、使可获得等)计算机系统，例如计算机系统810(图15)，并且可获得(例如，创建、购买、使用、修改等)用于执行本文中描述的处理的一个或多个元件并将其部署给计算机系统。在这方面，该部署可包括以下中的一个或多个:(I)将程序代码安装在计算器件上；(2)向计算机系统增加一个或多个计算和/或I/O器件；(3)合并和/或修改计算机系统，以使其能够执行本文中描述的处理；等等。
[0083]应该理解的是，本发明的方面可作为在订购、广告和/或收费基础上执行本文中描述的处理的商业方法的一部分来实施。亦即，服务提供商可提供实施如文中所述的火焰探测产品和/或方法。这种情况下，服务提供商可为一个或多个顾客管理(例如，创建、维护、支持等)执行如文中描述的处理的计算机系统，例如计算机系统810(图15)。作为回报，服务提供商可在订购和/或收费协议下接受(多个)顾客的付款，从通过广告对一个或多个第三方的销售接受付款，等等。
[0084]虽然已结合仅有限数量的实施例详细地描述了本发明，但应当容易理解的是，本发明并不局限于这些公开的实施例。相反，可对本发明进行修改以加入此前未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变型、改型、替换或等同布置。此外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但应理解，本发明的各个方面可仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明不应视为通过前面的描述来限制，而仅通过所附权利要求的范围来限制。
【权利要求】
1.一种燃气涡轮火焰探测系统(200)，所述燃气涡轮(100)包括燃烧器(120)，所述燃烧器具有与空气源流体连通的入口、燃烧室(150)和位于所述入口与所述燃烧室(150)之间的无焰区域，所述火焰探测系统(200)包括: 火焰探测器(201)，其与所述无焰区域光子通信并且布置成响应于所述无焰区域内发射的光子而发射信号；以及 与所述火焰探测器(201)通信的控制器(210)，所述控制器(210)布置成判断所述火焰探测器信号是否指示所述无焰区域内的火焰存在。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮火焰探测系统(200)，其特征在于，所述火焰探测器(201)包括: 光子收集器(204)，其布置成接收所述无焰区域内发射的光子； 光子探测器(202);以及` 光子管道(206)，其在所述光子管道(206)的收集器端处与所述光子收集器(204)并在所述光子管道(206)的探测器端与所述光子探测器(202)光子通信，使得所述无焰区域内发射的光子由所述光子收集器(204)接收并经所述光子管道(206)行进到所述光子探测器(202)，所述光子探测器(202)布置成响应于接收来自所述光子管道(206)的光子而发射信号。
3.根据权利要求2所述的燃气涡轮火焰探测系统(200)，其特征在于，所述光子收集器(204)包括非成像镜头或纤维光缆中的至少一个。
4.根据权利要求2所述的燃气涡轮火焰探测系统(200)，其特征在于，所述光子探测器包括半导体器件或光电二极管中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的燃气涡轮火焰探测系统(200)，其特征在于，所述无焰区域包括所述燃烧器(120)的预混室(148)并且所述火焰探测器(201)布置成经由所述燃烧器(120)的罩帽(144)来监控所述预混室(148)。
6.根据权利要求1所述的燃气涡轮火焰探测系统(200)，其特征在于，所述无焰区域包括所述燃烧器(120)的环形流动通路(140)的至少一部分，并且所述火焰探测器(201)围绕所述环形流动通路(140)的圆周以角向间隔与所述无焰区域光子通信，以大致围绕对所述火焰探测器(201)可见的所述无焰区域的整个圆周形成探测环带(220)。
7.根据权利要求1所述的燃气涡轮火焰探测系统(200)，其特征在于，至少两个火焰探测器(201)与所述无焰区域光子通信，并且所述控制器(210)响应于接收来自所述至少两个火焰探测器(201)中的至少两个的信号而指示火焰。
8.根据权利要求1所述的燃气涡轮火焰探测系统(200)，其特征在于，所述火焰探测器(201)响应于具有在从约250纳米至约450纳米的预定范围内的波长的光子。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮火焰探测系统(200)，其特征在于，所述预定范围为从约300纳米至约350纳米。
10.一种燃气涡轮(100)，包括: 压缩机； 燃烧器(120)，其与所述压缩机流体连通并且布置成接收所述压缩机的排气； 至少一个燃料递送系统，其布置成将燃料导入进入所述燃烧器(120)的空气中以形成燃料-空气混合物；燃烧室(150)，所述燃料-空气混合物传入其中且其布置成容纳所述燃料-空气混合物的受控燃烧； 火焰探测器(201)，其与所述无焰区域光子通信并且布置成响应于所述无焰区域内发射的光子而发射信号；以及 与所述火焰探测器(201)通信的控制器(210)，所述控制器(210)布置成判断来自所述火焰光子探测器(202)的`信号是否指示所述无焰区域内的火焰存在。
【文档编号】F23M11/04GK103512038SQ201310209271
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年5月30日 优先权日:2012年5月30日
【发明者】G.O.克雷默 申请人:通用电气公司