专利名称：用于燃烧控制的光学传感器的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及传感器，并且更特别地涉及用于燃烧控制的光学传感器。
背景技术：
现代工业燃气涡轮机要求高效地转换能量同时产生最少的污染排放物。但这两个 要求是互相对立的，因为更高的效率一般通过升高燃烧室中的整体气体温度实现，而诸如 氮氧化物的污染物典型地通过降低最高气体温度而减少。最高气体温度可通过在燃烧室中 保持稀空燃比而降低，但如果燃料/空气混合物过稀，则不完全的燃料燃烧可产生过量的 一氧化碳和未燃烧的烃。因此，反应区中的温度必须足够支持完全燃烧。为了平衡对于增加的效率和减少的排放的相冲突的需要，要求极端精确的控制来 调节燃烧器的反应区中的燃料/空气混合物。已提出这种系统其用于通过监视各种燃烧 参数来控制燃料/空气混合物，并且使用测得参数作为输入来控制燃料系统。例如，一种常 规的系统包括控制系统，其中利用燃料流率、压力水平和排气温度分布作为用于设定燃料 平稳控制阀的输入。用于控制燃烧动态变化的其它技术包括测量来自燃烧器火焰的光发射，并且使用 测得信号控制特定燃烧参数。例如，一个常规系统使用采用碳化硅二极管以通过紫外线辐 射强度的测量感测燃烧火焰温度的闭环反馈系统。感测到的紫外线辐射用来控制燃料混合 物的空燃比，以将火焰的温度保持在与氮氧化物的期望低级别相关的预定级别以下。其它常规系统可使用用于从燃烧区域至探测器聚集和传输光的光纤。又其它常规 系统可使用摄像机来捕捉火焰的图像，其主要用于监视火焰的存在或缺失。依然需要用于提供光学传感器的改进的系统和方法。
发明内容
可通过本发明的特定实施例来解决部分或全部以上需要。本发明的特定实施例可 包括用来提供用于燃烧控制的光学传感器的系统和方法。根据本发明的一个示例性实施例，提供了一种用于控制与燃气涡轮机燃烧器相关 的燃烧参数的方法。该方法可包括在燃烧器中的火焰区域附近提供至少一个光路、探测来 自该至少一个光路内的火焰区域的光发射的至少一部分、以及部分地基于探测到的光发射 控制燃烧参数中的至少一个。根据本发明的另一示例性实施例，提供了一种用于控制与燃气涡轮机燃烧器相关 的燃烧参数的系统。该系统可包括在燃烧器中的火焰区域附近的至少一个光学端口 ；与 该至少一个光学端口通讯的一个或多个光电探测器，该一个或多个光电探测器可操作以探 测来自火焰区域的光发射的至少一部分；以及至少一个控制装置，其可操作以至少部分地 基于来自该一个或多个光电探测器的一个或多个信号控制一个或多个燃烧参数。根据另一示例性实施例，提供了一种燃气涡轮机。该燃气涡轮机可包括燃烧器； 在燃烧器中的火焰区域附近的至少一个光学端口 ；一个或多个光电探测器，其与该至少一个光学端口通讯，并且可操作以探测来自火焰区域的光发射的至少一部分；以及至少一个 控制装置，其可操作以至少部分地基于来自该一个或多个光电探测器的一个或多个信号控 制一个或多个燃烧参数。本发明的其它实施例和方面在文中详细描述并视为要求保护的发明的一部分。参 考说明书和附图可理解其它实施例和方面。
现将参照附图，附图不一定按比例绘制，并且其中图1描绘了根据本发明的一个示例性实施例的与涡轮机燃烧器的火焰区域通讯 的说明性光学传感器。图2图示了按照本发明的窄视场示例性实施例的光学传感器成像系统，其中镜头 定位成收集主要来自燃烧器的一个火焰区域的光。图3图示了按照本发明的宽视场示例性实施例的光学传感器成像系统，其中镜头 定位成收集来自燃烧器的多个火焰区域的光。图4是根据本发明的示例性实施例的用于测量火焰燃烧参数的示例性方法流程 图。部件清单100具有火焰传感器和控制系统的管式燃烧器102管式燃烧器104 火焰106火焰区域112 光学端口114 镜头116光束分离器118第一滤光器120第二滤光器122第一光学探测器124第二光学探测器126探测器电子装置128燃烧控制系统130 光圈200窄视场火焰成像和传感器系统202镜头焦距204图像平面206目标平面208火焰目标210火焰图像212目标距离214图像距离
216 光轴300宽视场火焰成像和传感器系统
具体实施例方式下文将参照附图更充分地描述本发明的实施例，附图中示出了本发明的实施例。 然而，本发明可采取多种不同形式实施并且不应当解释为局限于本文所述的实施例；相反， 提供这些实施例以使本公开内容详尽和完整，并且这些实施例将为本领域技术人员传达本 发明的范围。相似的标号始终指示相似的元件。本发明的一个实施例可使得能够通过选择性地探测来自燃烧器火焰的空间、时间 和/或光谱光发射而在涡轮机燃烧器中测量燃烧参数。根据本发明的实施例，测得的燃烧 参数又可用来控制燃烧器的各种参数，包括但不局限于燃料流率、空燃比和燃料流量分布 以优化氮氧化物排放、动态压力振荡和燃料效率。根据本发明的示例实施例，可使用光学探测器监视来自燃烧器中一个或多个火焰 的化学发光排放。可对光能发射进行光谱过滤，以确定来自特定激发状态物质如OH*、OT、 C2*和C02*的总光发射的部分作用。可将这些测得信号的比率与空燃比、热释放率和温度关 联。根据示例性实施例，可对来自光学探测器的时间分辨输出进行分析，以揭示与燃烧相关 的不稳定现象，且其可用来指示燃烧声学振荡(燃烧动态变化)、初始火焰喷发(blowout) 和火焰熄灭。另外，输出信号可用作用于闭环燃烧控制系统中的反馈。现将参照附图描述 根据本发明的实施例的用于燃烧控制应用的各种传感器选项和构造。图1图示了根据本发明的一个示例性实施例的示例性管式燃烧器，其具有用于控 制与燃气涡轮机燃烧器相关的燃烧参数的火焰传感器和控制系统100。火焰传感器构件可 放置或安装在管式燃烧器102附近并且可在管式燃烧器102的火焰区域106附近选择性地 探测来自管式燃烧器102内火焰104的光发射。来自燃烧器火焰104的至少一部分的光发 射可经过管式燃烧器102的侧壁中的光学端口 112并且可通过一个或多个镜头114聚焦、 成像或转换。根据本发明的示例性实施例，该一个或多个镜头114可移动以改变光学系统 视场，如下面将参照图2和图3所述。根据本发明的一个示例性实施例，并且继续参照图1，光圈130可安放在镜头114 附近以控制来自火焰104的光的强度。光圈130也可用于调节场的光学系统深度。根据本 发明的一个示例性实施例，来自燃烧器火焰104的光的光谱的一部分可在到达第一光学探 测器122之前由第一光学过滤器118过滤，以帮助确定来自在光谱的窄带部分中产生光辐 射的特定激发状态物质的总光辐射的部分作用。根据本发明的示例性实施例，可为其在相 关波长光谱窗口内的响应而选择光学探测器122。例如，可由于其对波长光谱的紫外线部分 的敏感性而选择碳化硅(SiC)光电探测器，并且因此，其可适合用于感测来自300nm波长范 围内的激发状态Otf基团(radical)的发射。0H*发射可为化学反应强度(热释放)的主 要指标，并且因此，300nm区域中的波长可用来确定气体温度。根据另一实施例，硅(Si)光 电探测器可用于监视来自包括OT (约430nm)和C2* (约514nm)的400至IOOOnm光谱中的 化学物质的发射。已发现这些火焰基团与预混火焰中的热释放以及局部空燃比成正比。根据本发明的一个示例性实施例，光束分离器116可用来将透过第二滤光器120 的光发射的一部分重新引向第二光学探测器124。第一滤光器118和第二滤光器120的光谱传输特性可选择成使得可以以增加的精度测量特定激发状态物质比率，同时部分地消除 来自影响较低的激发状态物质的干扰背景发射。根据一个示例性实施例，第一滤光器118 和第二滤光器120可以是可互换的、固定的或可调谐的。根据示例性实施例，滤光器118、 120可为窄带过滤器。法布里珀罗(Fabry-Perot)或分色滤光器是可用来传输特定波长带 同时衰减或反射带外波长的过滤器的类型的实例。图1中还示出了代表探测器电子装置126和燃烧控制系统128的方框。根据一个 示例性实施例，探测器电子装置126可操作以调节、放大、过滤和处理来自光学探测器122、 124的信号。探测器电子装置126还可提供用于调节光圈130的直径和/或用于定位镜头 114的控制。来自探测器电子装置的输出信号可用作用于燃烧控制系统128的控制信号。 例如，根据本发明的一个实施例，测得的CH对OH化学发光比率(CH70H*)可用作燃烧控制 系统128中的反馈，并且可提供控制以动态地调节空燃比。图2描绘了根据本发明的一个示例性实施例的燃烧区以及窄视场火焰成像和传 感器系统200的端视图。为了清楚，从此图略去了光束分离器116、第二光学探测器124以 及第一滤光器118和第二滤光器120。根据一个示例性实施例，来自燃烧器火焰104的光发 射的一部分可成像至光学探测器122的表面上。在一个示例性实施例中，火焰目标208可 在图像平面204处成像以产生火焰图像210。在一个示例性实施例中，处于图像平面204的 光学探测器122可包括具有有限感测面积的单个感测元件，并且因此，成像至传感器区域 上的光辐射可产生与入射在探测器上的总光能的积分总和成比例的输出信号。根据用于薄 镜头的光学成像理论，可由包括镜头114的安放、光学探测器122的宽度、镜头114的焦距 f202、目标距离212和图像距离214的因素的组合确定视场。可将目标距离d。212、图像距 离Cli 214以及镜头的焦距f之间的大致关系表达为l/U+1/di = Ι/f。图像放大可表达为 M = -di/d。，其中减号表示该图像相对于光轴216颠倒。图2显示了示例性窄视场实施例，其中具有焦距f202的镜头114在距图像平面 204图像距离214处安放在示例性第一位置上，此处图像平面204与光学探测器122的表面 重合。在此示例性构造中，位于目标平面206处的火焰目标208在图像平面204处产生火 焰图像210。所示的示例性构造还将允许来自未成像的燃烧器火焰104的光的一小部分入 射在光学探测器122上，但探测器所产生的输出信号的主要部分将与成像火焰210落在探 测器的活动区域上的部分相关。在本发明的一个示例性实施例中，探测器是可调的，使得它 能够沿着图像平面移动，以使得能够为探测而选择不同的燃烧器火焰104区域。根据本发明的一个示例性实施例，可将固定的或可调的光圈(未示出)放置在探 测器附近，以限制火焰图像210中可能另外入射在光学探测器122上的不希望的部分。固 定或可调光圈可平行于图像平面204移动，以选择性地传输燃烧器火焰图像210中用于使 用探测器进行感测的区域，从而提供移动探测器以使得能够为探测而选择不同的燃烧器火 焰104区域的备选方案。根据本发明的一个示例性实施例，可在图像平面204中利用多个 探测器，以同时探测或监视空间上分离的燃烧器火焰104的区域。图3描绘了根据本发明的一个示例性实施例的燃烧区宽视场火焰成像和传感器 系统300的端视图。为了清楚，从此图略去了光束分离器116、第二光学探测器124以及第 一滤光器118和第二滤光器120。在此示例性图示中，可移动镜头114定位成与图2中所示 的图示相比更靠近光学探测器122和图像平面204。将镜头114移动成更靠近光学探测器122的一个结果是图像平面204与目标平面206之间的距离可大致根据薄镜头公式l/d。+l/ Cli = 1/f增加。将镜头114移动成更靠近光学探测器122的另一个结果是火焰图像210的 尺寸可大致根据放大率M = -di/d。缩小。因此，取决于成像系统的几何形状、镜头114的位 置以及光学探测器122的面积，入射在光学探测器122上的火焰图像210可包括多个燃烧 器火焰目标208的图像。因此，通过朝探测器调节可移动镜头114的位置，成像系统可选择 性地收集和成像来自多个燃烧器火焰104的光发射(即，如图3中所示的宽视场实施例)。 相反，通过远离探测器调节可移动镜头114的位置，成像系统可选择性地收集和成像主要 来自单个燃烧器火焰104的光发射(即，如图2中所示的窄视场实施例)。根据示例性实施例，可选择光学探测器122、124以测量主要燃烧参数的一维或二 维表示。例如，光学探测器122、124可包括一阵列感应元件而不是单个感应元件。因此，这 些阵列可在二维网格上捕捉图像，类似于数码相机系统。此类阵列的实例可包括但不局限 于电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)阵列以及铟镓砷化物(InGaAs)阵 列。现将参照图4的流程图400描述用来测量用于控制燃烧特性的火焰参数的示例性 方法。在方框402中开始并且根据本发明的一个示例性实施例，可在火焰区域如106附近 在涡轮机管式燃烧器如102的本体中提供至少一个光学端口如112。该光学端口可由抗高 温透光材料如石英、蓝宝石或其它具有低损耗以及适合相关波长的传输带宽的合适材料构 成。来自燃烧器火焰如104的光发射可通过光学端口 112传输到其余光学系统，该其余光 学系统可居于管式燃烧器102外部，其中隔热、冷却等可用来保护光学装置、探测器以及相 关的电子装置和硬件。在方框404，根据本发明的一个示例性实施例，光学系统可包括在光学端口如112 附近的可变光圈如130。可变光圈130可手动调节，或者其可机动化以便可电子地控制光 圈开口的直径，从而调节到达光学探测器如122、124的总的光流入。可变光圈130也可用 来提供用于光学成像系统的场深度控制。根据一个示例性实施例，可变光圈130可安装在 光学端口 112附近。光学成像系统可另外包括在可变光圈130附近的可调或可移动镜头如 114或镜头系统、至少响应燃烧器火焰如104发射光谱的所关心部分的至少一个光学探测 器122、以及处于光学探测器122前方的光路中并且可操作以选择性地将燃烧器火焰104发 射光谱的一部分传输到光学探测器122的至少一个滤光器如118。判定方框406描绘了光学成像系统可得到的两个设置宽视场和窄视场。根据一 个示例性实施例，该二元(宽和窄)设置可通过将固定镜头选择性地插入沿光路的适当位 置或从其移除来完成。然而，根据另一示例性实施例，镜头如114是可移动的，并且因此，视 场也可以是可变的，并且可按需设定在极端的宽视场和窄视场设置之间的任何中间设置。在方框408中，例如通过将镜头如114与光学探测器如122之间的距离调节为大 约镜头114的焦距f202，可将光学成像系统设置为包括宽视场(如图3中所示)。在方框410中，例如通过将镜头114与光学探测器如122之间的距离调节为大约 镜头114的焦距f 202的两倍，可将光学成像系统设为包括窄视场(如图2中所示)。物理 约束可限制镜头114的实际运动，因此，可以理解的是，本发明并不局限于所公开的特定实 施例，并且按照本发明的实施例可利用另外的镜头方法。方框412表示可选的比率计量技术可用于同时测量和关联两个或更多所关心的波长。根据一个示例性实施例，可如图1所示通过提供光束分离器116、第一滤光器118、第 一光学探测器122、第二滤光器120和第二光学探测器124而实现该比率计量技术。在一个 示例性实施例中，可通过利用第一滤光器118和第一光学探测器122选择性地测量来自一 种激发物质(例如接近425nm的Ctf)的发射响应并同时使用第二滤光器120和第二光学探 测器124测量另一种激发物质(例如，接近310nm的OH*)的响应而实现比率计量测量。比 率计量测量例如可通过将OT的响应除以0H*的响应而实现。比率CH70H*已表明与当量比 (φ)相关，该当量比为与多种燃烧特性相关的通用函数。比率计量测量技术的另一个方面在 于可消除每个探测器共同的背景辐射，从而增加信噪比。在方框414中，并且根据一个示例性实施例，可测量燃烧火焰特性。这些特性可包 括发射光谱、时间扰动、火焰图像或这些特性的组合。测量可包括光谱和随时间变化的信息 二者。例如，火焰发射光谱的部分可通过过滤而选择，并且过滤的发射可入射在一个或多个 光学探测器122、124上，以产生随时间变化的信号，该信号可在方框416中用来从测量结果 提取燃烧参数。所提取的燃烧参数可在方框418中用来使用按照本发明的实施例的其它方 法控制和优化燃烧特性。例如，所提取的燃烧参数可在反馈控制环中用来调节燃料流量、空 燃比、燃烧器间的燃料分配等。受益于在前面的描述和相关附图中呈现的教导，本发明所属领域的技术人员将想 到本发明的许多改型和其它实施例。因此，应该理解的是，本发明并不局限于所公开的具体 实施方式，并且改型和其它实施例意图包括在所附权利要求的保护范围内。虽然本文采用 了特定术语，但是仅在普通和描述的意义上使用它们且目的不在于进行限制。
权利要求
一种用于控制与燃气涡轮机燃烧器(102)相关的燃烧参数的方法，所述方法包括在所述燃烧器(102)中的火焰区域(106)附近提供至少一条光路；在所述至少一条光路内探测来自所述火焰区域(106)的光发射的至少一部分；以及部分地基于探测到的光发射而控制所述燃烧参数中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述至少一条光路内探测来自所述火 焰区域(106)的光发射的至少一部分包括选择性地过滤所述光发射以隔离与所述光发射 相关的光谱信息。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述燃烧器(102)中的火焰区域(106) 附近提供至少一条光路包括提供镜头(114)，所述镜头(114)可操作以成像来自所述火焰 区域(106)的所述光发射的至少一部分。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述燃烧器(102)中的火焰区域(106) 附近提供至少一条光路包括提供可移动镜头(114)，所述可移动镜头(114)可操作以可变 地调节与所述光路相关的至少一个视场。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述至少一条光路内探测来自所述火 焰区域(106)的光发射的至少一部分包括使用第一过滤器(118)过滤所述光的至少一部分 以及使用至少一个第一光电探测器(122)探测所述第一过滤后的光的至少一部分。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述至少一条光路内探测来自所述火 焰区域(106)的光发射的至少一部分包括使用第二过滤器(120)过滤所述光的至少一部分 以及使用至少一个第二光电探测器(124)探测所述第二过滤后的光的至少一部分，其中所 述第二过滤器(120)不同于所述第一过滤器(118)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，部分地基于来自所述至少一个第一光电 探测器(122)和所述至少一个第二光电探测器(124)的信号控制所述燃烧参数中的至少一 个。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，部分地基于探测到的光发射控制所述燃 烧参数中的至少一个包括控制燃料流率、燃料流量分配、空燃比、燃烧火焰振荡、燃烧火焰 熄灭、热释放率或火焰温度中的至少一个。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述燃烧器(102)中的火焰区域(106) 附近提供至少一条光路包括提供光束分离器(116)以在空间上分隔光路。
10.一种用于控制与燃气涡轮机燃烧器(102)相关的燃烧参数的系统，所述系统包括:至少一个光学端口(112)，其在所述燃烧器(102)中的火焰区域(106)附近；与所述至少一个光学端口(112)通讯的一个或多个光电探测器(122，124)，所述一个 或多个光电探测器(122，124)可操作以探测来自所述火焰区域(106)的光发射的至少一部 分；以及至少一个控制装置(128)，其可操作以至少部分地基于来自所述一个或多个光电探测 器(122，124)的一个或多个信号控制一个或多个燃烧参数。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统还包括一个或多个滤光器(120，122)，其可操作以隔离与所述光发射相关的光谱信息。
12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统还包括至少一个镜头(114)，其可操作以成像来自所述火焰区域(106)的光发射的至少一部分。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述至少一个镜头(114)包括可移动镜 头(114)，所述可移动镜头(114)可操作以可变地调节与所述光路相关的至少一个视场。
14.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统还包括至少一个第一滤光器(118)，其中所述至少一个第一滤光器(118)与所述至少一个第 一光电探测器(122)通讯。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述系统还包括至少一个第二滤光器(120)，其中所述至少一个第二滤光器(120)与所述至少一个第 二光电探测器(124)通讯。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述至少一个控制装置(128)可操作 以至少部分地基于来自所述至少一个光电探测器(122)和所述至少一个第二光电探测器 (124)的信号控制所述一个或多个燃烧参数。
17.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述可操作以控制一个或多个燃烧参 数的至少一个控制装置(128)可操作以控制燃料流率、燃料流量分配、空燃比、燃烧火焰振 荡、燃烧火焰熄灭、热释放率或火焰温度中的至少一个。
18.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统还包括至少一个光束分离器(116)，其可操作以在空间上分隔来自所述火焰区域(106)的光 发射。
19.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述一个或多个光学探测器(122，124) 响应于紫外线光谱的至少一部分。
20.一种燃气涡轮机，包括燃烧器(102)；至少一个光学端口(112)，其在所述燃烧器(102)中的火焰区域(106)附近；一个或多个光电探测器(122，124)，其与所述至少一个光学端口(112)通讯，并且可操 作以探测来自所述火焰区域(106)的光发射的至少一部分；以及至少一个控制装置(128)，其可操作以至少部分地基于来自所述一个或多个光电探测 器(122，124)的一个或多个信号控制一个或多个燃烧参数。
全文摘要
本发明涉及用于燃烧控制的光学传感器，具体而言，本发明的特定实施例可包括用来提供用于燃烧控制的光学传感器的系统和方法。根据本发明的一个示例性实施例，提供一种用于控制与燃气涡轮机燃烧器(102)相关的燃烧参数的方法。该方法可包括在燃烧器(102)中的火焰区域(106)附近提供至少一个光路、检测来自该至少一个光路内的火焰区域(106)的光发射的至少一部分、以及部分地基于检测到的光发射控制燃烧参数中的至少一个。
文档编号G01J3/443GK101922731SQ20101021347
公开日2010年12月22日 申请日期2010年6月13日 优先权日2009年6月15日
发明者K·R·麦芒努斯, L·B·小戴维斯 申请人:通用电气公司