用于确定燃烧器内的温度的方法
【专利摘要】本发明描述了一种用于使用声发射器和声接收器确定侵略性和/或腐蚀性的气体的温度的方法。发射器发射带有变化频率的声信号，而接收器从声输入信号提取出最大的频率。基于该最大值的频率，计算出在发射器和接收器之间的气体的温度。
【专利说明】用于确定燃烧器内的温度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于确定燃烧器内的温度的方法，它尤其涉及热气体温度的快速波动 的动态声学测量。
【背景技术】
[0002] 在燃烧器中，气态、液态或固态燃料以及空气燃烧以产生热。气体由燃烧燃料产 生，其中气体在高达50bar的压力下达到高达2000°C的温度，并且可能包括腐蚀性的固体 微粒。为控制燃烧器的运行，燃烧器内的气体的实际温度Tgas(t)需实时地受监控。
[0003] 上述情形使得很难通过热敏元件或者光学仪器的方式测量温度。
[0004] 为克服这些困难，已知的为根据其声速确定气体的温度，因为温度是声速的函数。
[0005] 由US4317366已知用于测量燃烧室中的温度的方法和系统。
[0006] 该方法监控运行期间燃烧室内的声压频谱并根据至少一个声压频谱的最大值 (共振频率）确定室内的气体的温度。
[0007] 由US6979118Bl已知用于估算燃烧器火焰温度的方法。该方法包括燃烧器的第 一横向声学模式的共振频率的确定并根据该共振频率确定气体的温度。
[0008] 由于这些方法不包括主动的声激励，其精度和显著性受到强烈限制。如果仅被动 地测量声功率频谱，在频谱中的最高功率水平可能会在接近于燃烧器口的轴向位置处在第 一横向共振频率下发现。在该位置处，由于未燃烧气体的区域，径向温度分布十分不均匀， 并且因此测量的温度可能显著地与火焰温度偏离。
[0009] 文档GB931233描述了在共振腔内的温度测量装置，该共振腔可暴露于热的燃烧 气体。描述的温度测量装置在共振腔长度和高度上空间地平均。因此，通过这种方法进行 动态温度测量或者燃烧器的实时控制是不可能的。相同的缺点对于从US4164867已知的 方法有效。
【发明内容】
[0010] 要求保护的发明的目的为提供用于实时地确定在恶劣条件下在一个特定的轴向 位置处的燃烧室中的热气体的温度的带有高精度和可靠性的方法。特定的轴向位置意指该 位置可以是任何位置并可以自由地选择。例如，该轴向位置可以使得在该具体位置处的燃 烧器内的气体的温度是十分均匀的以获得更好的结果。该轴向位置也可以使得可监控具体 位置发生的气体的临界温度以防止涡轮等的局部过热。
[0011] 该目的通过用于确定燃烧器内的特定轴向位置处的气体的温度的方法实现，该燃 烧器包括主动和可控的声源（发射器）以及用于接收声源的输出的接收器，所述方法包括 以下步骤：从声源发射声信号，该声信号具有在频带中的频率，该频带包括燃烧器中的气体 的一个共振频率；通过接收器接收来自声源的声信号；并且根据所述气体的实际共振频率 确定在特定轴向位置处的所述气体的实际温度，其中所述声源和所述接收器安装在燃烧器 的壁处，并且其中，燃烧器自身被用作共振腔。
[0012] 通过主动地产生和发射声信号，尤其是下述优点被实现。
[0013] 可能连续地改变声信号的频率，该声信号由发射器产生并在预定的频带内。
[0014] 这意味着，在燃烧器内的气体由不同频率（在限定的频带内）的声信号激励。这 导致用于接收器的十分清晰的声输入信号，该接收器可容易地探测输入信号的声压的最大 值并因此确定在发射器与接收器之间的气体的实际共振频率fMS。这允许在该轴向位置处 的气体温度的十分精确的确定。在存在有若干发射器和接收器安装在不同的轴向位置处的 情况下，在不同的位置处的温度可以同时地被监控。
[0015] 在存在恶劣条件的情况下，可以增大发射的声信号的振幅，这导致用于接收器的 稳定的声输入信号。
[0016] 声信号的频率和a.m.频带可容易地适合于不同的燃烧器类型和位置。
[0017] 此外，如果若干声源和接收器安装在不同的位置处，则可能同时地确定在燃烧器 的不同的轴向位置处的气体的局部温度。
[0018] 声信号可由任意类型的声源（例如压电发射器、扩音器、喇机、警报器、气爆、电火 花等等）产生。
[0019] 由于燃烧器内的气体的共振频率随温度变化，因而可以限定从正常运行的燃烧器 内的作为开始点的共振频率开始的频带。已证明如果将该共振频率的+/-10%设定为频带 的上限和下限fmin则是足够的。在许多情况下，频带甚至可以更小。频带越小，气体温 度的确定的时间分辨率越高。因此使用小频带常常有利。当然，要求保护的发明不限制于 上述范围。
[0020] 通过持续地变化由声源产生的声信号的频率（扫描），可以实时地探测气体的共 振频率的任何变化。因此，在特殊的轴向位置处的气体的温度也被实时地确定。
[0021] 通过持续地改变声信号的频率，实现了高达50Hz的时间分辨率。这意味着温度的 任何变化几乎不带有延迟（延迟等于或小于0.02秒）地被确定。这允许燃烧器的十分好 的实时控制。
[0022] 气体的实际温度Tgas (t)根据下述方程式确定。该方程式对于带有最大高度"d"的 矩形轮廓的管或燃烧室有效。对于其他的横截面，该方程式有一点不同。由于计算气体的 声速对于本领域技术人员是公知的，因而在本应用中未显示用于其他横截面的方程式。
[0023] 其中
【权利要求】
1. 一种用于通过声测量装置确定燃烧器（1)中的燃烧温度的方法，所述声测量装置 包括主动声源（5、21)和用于接收所述声源（5、21)的输出（6)的接收器（7)，所述方法包 括： 从所述声源（5、21)发射声信号￠)，所述声信号（6)具有在频带（9)内的频率（f)，所 述频带（9)包括在所述燃烧器（1)中的气体的一个共振频率（f；J ;通过所述接收器（7)接 收来自所述声源（5、21)的声信号￠);以及，根据所述气体的实际共振频率（f_(t))确定 实际温度（T gas⑴），其中所述声源（5、21)和所述接收器（7)安装在所述燃烧器的壁处，并 且所述燃烧器（1)自身用作共振腔。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述燃烧器（1)的正常运行下，所述频 带（9)覆盖所述共振频率（f_)的+-10%的范围。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述声信号￠)的频率（f)在所述 频带（9)内扫描。
4. 根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述气体的实际温度（Tgas (t))根 据下述方程式确定： 其中 c是所述气体的声速， R是通用气体常数， Y是热容比，以及 M是气体的摩尔质量。
5. 根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述主动声源（5、21)和所述接 收器（7, 21)安装在所述燃烧器⑴的相同壁（3)处。
6. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述主动声源（5)和所述接收器（7)是 收发器（21)的部分。
7. 根据权利要求1至4中的一项所述的方法，其特征在于，所述主动声源（5、21)和所 述接收器（7、21)安装在所述燃烧器（1)的相对壁（3)处。
8. 根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，其应用于确定在燃气涡轮的燃烧 器、发电站的锅炉、工业用熔炉（例如废物燃烧、熔融炉）、内燃机、航空发动机如涡轮的排 气系统中的温度测量装置中的燃烧温度。
9. 一种计算机程序，其特征在于，其根据前述权利要求之一运行。
10. -种用于控制燃烧器（1)的控制单元，其特征在于，其根据前述权利要求之一运 行。
【文档编号】G01K11/26GK104515618SQ201410501301
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】B.舒尔曼恩斯, D.瓦斯梅 申请人:阿尔斯通技术有限公司