专利名称：用于估计燃烧器火焰温度的方法
背景技术：
在环管燃烧器系统例如GE Energy Heavy Duty燃气轮机系列(见图1)中，典型地是使用排气热电偶来测量温度来控制涡轮。更加特别地，在进行燃烧和燃烧产物在涡轮中膨胀之后，在燃气轮机的排气装置中进行热电偶测量。通过温度测量和其它测量参数，例如压缩机排放压力和压缩机排放温度，对于燃气轮机可以确定估计的点火温度。由于该测量使用了排气温度测量作为输入，所以由于在燃烧产物从燃烧器移动到排气装置过程中的速度时间滞后和热电偶的响应常数，所产生的估计值会有时间延迟。
发明内容
在本发明的实施例中，不是通过来自排气热电偶的输出估计点火温度，而是通过燃烧器声波标记图计算燃烧器温度。这就消除了速度时间滞后，并用动态压力传感器的时间常数替代了热电偶时间常数。因此，估计值可更快地更新。此外，利用这种方法，和使用排气热电偶计算单一的平均温度相比，可以计算每一个被点燃的燃烧室的温度。其具有的优点是能够在单独的燃烧器上进行高级诊断。
因此，本发明具体化为一种用于确定在燃气轮机的目标燃烧器中的燃烧温度的方法，该燃气轮机包括压缩机、包括多个燃烧器的燃烧部和工作流体可从其中流过的涡轮，所述方法包括a)确定燃烧部的目标燃烧器的第一横向声音模式的共振频率；b)将所述频率作为用于确定在目标燃烧器中的燃烧温度的一个因子。
本发明还可以具体化为一种用于确定在燃气轮机的环管型燃烧部中的燃烧温度的方法，该燃气轮机包括压缩机和基于包括所述燃烧管的直径、气体的气体常数和气体的比热比的因子的涡轮，该方法包括a)确定燃烧部的燃烧器的第一横向声音模式的共振频率；b)将所述频率作为用于确定在燃烧器中的燃烧温度的一个因子。
结合附图，通过仔细地研究下面更加详细描述的本发明目前优选的示例性实施例，将更加完全理解和认识到本发明的这些和其它目的和优点，其中图1是环管燃烧系统的示意性表示；图2是显示了动态压力的横向模式的示例性燃烧器的动态压力谱；图3是图2中3的详细视图，其示出了在大约850-1150赫兹范围中动态压力的横向模式；图4示出了基于动态压力测量的14个管的每一个的横向模式的频率，其以赫兹表示；图5示出了根据本发明的一个实施例通过图4的数据计算的14个管的火焰温度，其以度F表示；以及图6示出了一个如使用热电偶从燃气轮机的排气测量的在14个管的每一个中旋涡补偿排气温度曲线，其以度F表示。
具体实施例方式
本发明可具体化为一种用于确定燃气轮机的燃烧室内部的平均温度的非侵入性和简单的方法，燃气轮机使用了环管燃烧器，目的是使用测定温度来控制燃气轮机，以及还作为对燃烧过程的诊断。
该方法涉及以下步骤。首先，使用动态压力换能器测量来自燃气轮机上每一燃烧器内部的燃烧噪音信号。在美国专利6,708,568中作为实例公开了合适的动态压力换能器的多个实例，在此将该文献的整个公开内容引入作为参考。使用频谱分析技术处理该来自每一换能器的信号，以便分离感兴趣的横向模式的频率。已知的横向模式的频率排列在850至1150赫兹的频率范围中。为了确定每一管的真实频率，从频谱曲线(图2和3)确定在该频率范围中的峰值幅度。这样，频率就仅仅是对应于峰值幅度的频率。在表1中列出了和在图4中示出了示例性的数据。在本发明的一个实施例中，利用已知的声学和热力学关系使该频率与燃烧器内部的气体温度相关联。
对于燃烧室，第一横向声音模式的共振频率(f)由下面的等式给出f＝(ac)/(πD)其中c等于在气体中声音的速度；a等于1.84(与声音模式相关的固定常数)，D等于以米表示的燃烧室的等效内径。根据燃烧室衬套的形状和尺寸可确定D值。对于锥形衬套，等效的衬套直径是
其中D1是上游(较大)直径，D2是下游(较小)直径。对于直的，即圆柱形燃烧室，等效直径就简单地是直径D＝D1＝D2。
声音速度由等式给出c＝(γRT)1/2其中γ等于气体的比热比(燃烧器内部空气的给定常数)；R等于气体的气体常数；T等于气体温度。
可以组合这些关系式，然后按照以下等式求出未知的气体温度f＝[a(γRT)1/2]/(πD)使得，T＝(fπD/a)2/(γR)在示例性情况中代入a、γ和R的值Tflame＝(fπD/1.841)2/(1.4·286)，其中Tflame是绝对温标，D(等效衬套直径)用米表示。
以英制单位Tflame＝{[(0.0254fπD/1.841)2/(1.4·286)]-273.15}·9/5+32，其中Tflame用华氏温标表示，D(等效衬套直径)用英寸表示。
图2示出了14个燃烧管或燃烧室的每一个的动态压力的频谱。正如在图3中可以详细看出的，在所有的管中振动的横向模式明显地出现在大约1050赫兹附近。
参考下面的表1和图4，所示出的频率数据来源于根据一种方法的实验应用对燃烧器噪声数据的测量，该方法使本发明具体化到一种如图1所示类型的具有14个环管型燃烧器的通用电气(GE)燃气轮机。
图4是对应于在如图3示出的和表1列出的850赫兹和1150赫兹之间发现的峰值幅度的频率曲线图。如图5所示，然后如上面详细描述的，与其它因子一起使用频率数据，以便计算在14个管燃烧器的每一燃烧管中的火焰温度。如表1所列出的和图5的实例中所示出的，每一燃烧管中预计的温度可以与按照常规方法估计的旋涡补偿排气温度分布相当，如图6所示。正如可以看出的，存在非常大的相关性。
正如应该理解的，可以使用根据本发明计算的温度来提供对燃气轮机燃烧系统的高级控制和保护。这种应用包括控制涡轮点火温度，计算来自单独的燃烧器管的排放，确定在不同的燃烧模式之间切换的负载，从而避免贫熄灭，还包括提供闭合回路控制算法，以便当检测到对于这种条件的先兆时快速地修改燃料喷射质量流，从而防止贫熄灭，以及还提供部分负荷燃烧器的最优化算法，从而提供最小的热耗率。
尽管已经结合目前认为是最实际和优选的实施例描述了本发明，应该理解本发明不限于公开的实施例，相反，本发明是为了覆盖包括在随附的权利要求书的精神和范围中的各种修改和等同构造。
权利要求
1.一种用于确定在燃气轮机的目标燃烧器中的燃烧温度的方法，该燃气轮机包括压缩机、包括多个燃烧器的燃烧部和工作流体可从其中流过的涡轮，所述方法包括a)确定燃烧部的目标燃烧器的第一横向声音模式的共振频率；b)将所述频率作为用于确定在目标燃烧器中的燃烧温度的一个因子。
2.如权利要求1所述的用于确定燃烧温度的方法，其中燃烧温度是燃气轮机点火温度。
3.如权利要求1所述的用于确定燃烧温度的方法，还包括使用确定的燃烧温度控制涡轮点火温度。
4.如权利要求1所述的用于确定燃烧温度的方法，还包括使用确定的燃烧温度计算从所述目标燃烧器的排放。
5.如权利要求1所述的用于确定燃烧温度的方法，其中所述确定共振频率包括感测所述目标燃烧器的燃烧噪音信号，处理所述信号以分离感兴趣的横向模式的频率，和使用所述频率作为一个因子用于确定在目标燃烧器中的燃烧温度。
6.如权利要求5所述的用于确定燃烧温度的方法，其中所述燃烧噪音信号是基于由动态压力换能器进行的测量进行感测的。
7.如权利要求1所述的用于确定燃烧温度的方法，其中燃烧器是一种具有多个燃烧器管的环管型燃烧器，其中所述确定共振频率包括分别地感测来自燃气轮机上的每一燃烧器管的燃烧噪音信号，处理每一所述信号，以便分离感兴趣的横向模式的频率，和使用所述频率作为一个因子用于确定在各个燃烧器中的燃烧温度。
8.如权利要求1所述的用于确定燃烧温度的方法，其中在目标燃烧器中的所述燃烧温度是基于包括目标燃烧器的直径的因子确定的。
9.如权利要求1所述的用于确定燃烧温度的方法，其中在目标燃烧器中的所述燃烧温度是基于包括目标燃烧器的圆周的因子确定的。
10.如权利要求1所述的用于确定燃烧温度的方法，其中在目标燃烧器中的所述燃烧温度是从下面的关系式确定的T＝(fπD/a)2/(γR)其中D＝燃烧室的等效内径，f＝第一横向声音模式的共振频率，a＝1.84，γ＝燃烧器中气体的比热比，以及R＝气体的气体常数。
全文摘要
一种用于确定燃烧室衬套内部的温度的方法，而不用直接测量真实温度。该技术基于测量在燃烧室内部产生的横向声音模式之一的频率。从燃烧室的横向几何尺寸和在燃烧室内部的气体中的声音速度可确定该频率。从热力学可以知道气体中的声音速度是气体温度和气体特性的函数。因此，通过测量共振频率，了解燃烧器尺寸和气体特性，能够准确地确定温度。
文档编号G01K11/26GK1704738SQ200510075908
公开日2005年12月7日 申请日期2005年6月1日 优先权日2004年6月1日
发明者W·J·米克, E·P·格利森, W·S·齐明斯基, A·巴斯克尔, F·韩 申请人:通用电气公司