用于燃烧腔室内气体测量的方法和装置 |
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| 申请号 | CN201280011821.4 | 申请日 | 2012-03-07 | 公开(公告)号 | CN103459927B | 公开(公告)日 | 2015-12-23 |
| 申请人 | 瓦藤福尔股份公司; | 发明人 | S·巴迪埃; M·伯格; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及通过激光脉冲确定 发电厂 或者 热电联产 电厂的燃烧腔室中的 位置 处的至少一个气体状况的方法。所述方法包括：发射(S1)激光脉冲到腔室中，确定(S2)所述激光脉冲被发射到腔室中时的第一时间点，探测(S3)被腔室中的所述位置处的气体分子后向散射的激光，确定(S4)探测到被所述气体分子后向散射的激光时的第二时间点，基于第一时间点、第二时间点以及激光脉冲的脉冲长度确定(S5)所述位置，以及基于在第二时间点探测到的后向散射激光的至少一个特性，确定(S5)在该位置处的至少一个气体状况。此处还描述了一种气体测量系统和燃烧系统。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于通过激光脉冲确定发电厂或者热电联产电厂的燃烧腔室中的位置处的至少一个气体状况的方法，所述方法包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 用于燃烧腔室内气体测量的方法和装置技术领域背景技术[0002] 一般来说，可能希望知道在燃烧系统中流动的气体的属性，例如在发电厂中用于产生蒸汽的锅炉中。特别地，可能希望例如确定燃烧系统内不同位置处的气体温度。通过确定气体的局部温度，就有可能控制气流或者燃料分布，使得随着流过燃烧系统，气体温度被优化分布。因此可以在燃烧系统中实现最佳燃烧和最小损耗。 [0003] 测量燃烧系统中的温度的一种方式是利用安装在燃烧腔室内侧上的热电偶。然而，按照这种方式中每个热电偶将测量一个位置处的局部气体温度，并且所测量的温度受到辐射的影响，因此经常偏离真实的气体温度。 [0004] 为了获得锅炉中的气流截面上的气体温度的测量值，以前利用过声波法。为此可将声波发射到燃烧系统中，因而可确定气体的温度作为声波在气体内行进所用时间的函数。这是由于声波的传播速度是气体温度的函数。为了能够获得温度分布的二维图像，可在锅炉内壁上布置多个发射器。然而，为了处理测量值以能够产生温度分布的二维图像，需要高的计算资源。例如，为了能够产生温度分布图像，有可能需要在平面内的没有实施测量的部分使用插值。 [0005] 气体物质的各个气体分子的浓度是在燃烧系统中希望知道的气体的另一种性质。通过确定气体浓度，可以控制气流，以提供最佳的气体浓度，因而可以在燃烧系统中实现更高效率的燃烧。更具体地，氧气(O2)和其它燃烧气体例如一氧化碳(CO)可均匀地混合，使得燃烧变得更加有效。而且，也减少了NOx气体的形成。 [0006] 吸入高温测定法是已知的用于确定燃烧腔室中气体温度的方法。吸入高温测定法涉及从燃烧腔室抽取气体，该气体经过被隔离的热电偶，从而辐射效应降到最低并且测得真实的气体温度。使用该技术，通常可测量高达1100℃的温度。使用更加昂贵的材料，可测量高达大约1600℃的温度。提取的气体还可随后用于确定燃烧腔室中各种气体的浓度。通过在燃烧腔室中的各个位置放置探针，可获得浓度和温度的空间分布。然而，吸入高温测定法不能提供用于确定燃烧系统中气体浓度或温度的空间分布的有效方法。特别地，吸入高温测定法不能提供用于确定气体浓度和／或气体温度的空间分布的实时工具。 发明内容 [0007] 有鉴于此，需要提供用于确定例如燃烧系统的腔室中的气体的空间温度分布和／或浓度的改进的方法和系统。 [0008] 因此，本发明的总体目的是提供用于确定气体状况以及其在腔室中的位置的方法和气体测量装置。 [0009] 在本发明的第一方面，提供了一种通过激光脉冲确定发电厂或者热电联产电厂(combined heat and power plant)的燃烧腔室中的位置处的至少一个气体状况的方法，所述方法包括以下步骤：发射激光脉冲到腔室中；确定激光脉冲被发射到腔室中的第一时间点；探测所述腔室中的所述位置处被气体分子后向散射的激光；确定被气体分子后向散射的激光被探测到的第二时间点；基于第一时间点、第二时间点以及激光脉冲的脉冲长度确定所述位置；以及基于在第二时间点探测到的后向散射激光的至少一个特性，确定所述位置处的所述至少一个气体状况。 [0010] 通过使用激光，测量系统将不再是依赖于温度的，也就是，由于本发明的测量系统通常在腔室的外部而对温度不再敏感。而且，激光脉冲的空间脉冲长度，例如可能是0.2至0.3米，在腔室中的气体分子群的位置的确定方面提供了很高的空间分辨率。而且，提供气体状况的空间分布的测量可以实时地实施。 [0011] 这里的气体状况定义为气体的状况。气体状况可以是例如腔室中的气体的(局部)温度、腔室中的气体的(局部)浓度。 [0012] 一个实施方式可以包括确定至少一个特性。 [0014] 确定至少一个特性可以涉及确定后向散射激光的量。因此，气体的浓度作为所确定的后向散射光的量的函数就可以被确定。 [0015] 通过确定腔室中的特定位置处的气体的浓度，可以控制气体分布或者气体流，以在腔室中获得均匀的气体浓度。因此，如果腔室是燃烧腔室或者是锅炉的一部分，燃烧就会更加高效，因此得到更高的燃烧水平。在发电厂应用中，这意味着发电变得更加高效，同时降低了与发电相关的成本，即随着时间，获得相同的效果需要的燃料更少。而且，NOx气体的产生可以减少。 [0016] 确定至少一个特性可以涉及确定后向散射激光的光谱特性。因此，可以确定气体的温度。从而通过根据所确定的温度分布来控制气流，可以获得均匀的温度分布。 [0017] 探测到的后向散射激光可以是瑞利(Rayleigh)散射激光。 [0018] 探测到的后向散射激光可能是拉曼(Raman)散射激光。拉曼散射提供斯托克斯(Stokes)和反斯托克斯(anti-Stokes)散射；这两种类型的散射得到被气体分子散射之前的激光脉冲的光子能量与后向散射激光的光子能量之间的能量差。通过测量该差，可以确定腔室中的气体的温度。拉曼散射还提供了用于通过探测到的拉曼散射光的量来确定气体的浓度的信息。 [0019] 一个实施方式可以进一步包括限定激光脉冲的波长。通过限定激光脉冲的波长，基于拉曼散射可以进行在光被后向散射的位置处的气体的温度确定。 [0020] 一个实施方式可以包括从在第二平面内传播的激光脉冲探测朝向所述位置移动的、被气体分子附加后向散射的激光，该第二平面不同于激光脉冲发射到腔室中时最初传播的第一平面。 [0021] 一个实施方式可以包括确定气体分子的浓度，并且基于在第一平面中的所述位置处的至少一个气体状况的确定，以及所确定的第二平面内的气体分子的浓度，来确定第一平面内的所述位置处的气体的流速。 [0022] 根据本发明的第二方面，提供了一种用于确定发电厂或者热电联产电厂的燃烧腔室中的位置处的至少一个气体状况的气体测量装置，该气体测量装置包括：设置为发射具有预定脉冲长度的激光脉冲到所述腔室中的激光装置；设置为探测在腔室内该位置被气体分子后向散射的光的散射探测器；以及处理装置，所述处理装置适于：确定激光脉冲被发射到腔室中的第一时间点，确定后向散射激光被散射探测器探测到时的第二时间点；基于第一时间点、第二时间点以及激光脉冲的长度确定气体状况的位置，以及基于在第二时间点探测到的后向散射光的至少一个特性，确定所述位置处的至少一个气体状况。 [0023] 处理装置可以被设置为确定后向散射激光的量，从而确定所述至少一个气体状况中在所述位置处的气体的浓度。 [0024] 处理装置可以被设置成基于后向散射激光的光谱属性，确定所述气体状况中在所述位置处的温度。 [0025] 在本发明的第三个方面，提供了一种燃烧系统，所述燃烧系统包括：以上公开的气体测量装置，适于容纳气体的燃烧腔室，所述腔室具有带开口的闭合壁，所述开口被设置为允许来自激光装置的激光脉冲发射到该燃烧腔室中。 [0026] 一个实施方式可以包括设置在所述腔室的开口处的窗口单元，激光脉冲输入单元被设置为允许来自激光装置的激光脉冲发射到腔室中，该窗口单元设置为被馈送腔室的外部的气体，腔室外部的气体比腔室中的气体具有更高的压力。 [0027] 对本领域人员来说，显然，本发明的所有上述方面通常呈现相同或者相似的优点。 [0029] 本发明及其优点将通过非限制性的实施方式，并结合以下附图来说明： [0030] 图1a-图1c示出了光子的弹性后向散射和非弹性后向散射。 [0031] 图2示出了气体测量装置的示例。 [0032] 图3示出了使用图2中的气体测量装置进行气体测量的第一示例。 [0033] 图4示出了使用图2中的气体测量装置进行气体测量的第二示例。 [0034] 图5示出了确定气体的状况以及其位置的方法的流程图。 具体实施方式[0036] 特别地，发明人认识到光探测与测距(LIDAR)技术可用于确定气体的状况以及所述气体状况在腔室中的位置。 [0037] LIDAR技术通常可用于测定气体或者气溶胶的物理或者化学属性。由于激光的相干性以及光束窄，LIDAR测量通常使用激光。 [0038] LIDAR技术通常利用预先定义的激光脉冲实现测距，也就是通过确定激光的行进时间以及(后向)散射光的行进时间来定位脉冲。进而，脉冲长度可以确定最小空间分辨率。 [0039] 当激光与分子碰撞，一部分激光被后向散射。后向散射光可以例如是瑞利散射光或者拉曼散射光。 [0040] 拉曼散射和瑞利散射的概念将在下文中结合图1a-图1c进行详细描述。 [0041] 瑞利散射涉及所谓的弹性散射，也就是后向散射的光子具有与光子-分子碰撞发生前同样的能量。在这种情况下，激光光子与气体分子碰撞，由此激发分子。被激发的分子然后发射与激发该分子的光子一样能量的光子。这种现象在图1a中示出。 [0042] 拉曼散射包括所谓的非弹性散射，也就是发出的光子与分子碰撞前的激光光子的能量相比将具有不同的能量，这样的非弹性散射可以是斯托克斯散射或者反斯托克斯散射的形式。 [0043] 斯托克斯散射表示碰撞后发出的后向散射光子将具有比激发该分子的激光光子更低的能量。因此，后向散射光的波长将比碰撞前的波长更长。光子的斯托克斯散射在图1b中示意地示出。 [0044] 反斯托克斯散射表示后向散射的光子将具有比与分子碰撞前的激光光子更高的能量。因此，后向散射光的波长将比碰撞前短。光子的反斯托克斯散射在图1c中示意地示出。 [0045] 图2示出了根据本发明的气体测量装置1的示例。气体测量装置1通常可以用于确定气体状况以及其在各自腔室中的位置。这样的腔室可以是适于容纳气体并且允许气体通过腔室流动的任何类型的腔室。腔室例如可以是发电厂、热电厂或者热电联产电厂的燃烧腔室。下文中，腔室通常被举例为发电厂中用于产生蒸汽的锅炉的一部分。 [0046] 示例的气体测量系统1利用光学方法确定气体状况以及其在腔室中的位置。特别地，示例的气体测量系统1有利地利用LIDAR技术来确定气体状况以及该气体状况在容纳该气体的腔室中的位置。 [0047] 气体测量系统1包括激光装置3、散射探测器5、处理装置7、用于向激光装置3提供电力的电源9、窗口单元11以及连接到该窗口单元11的泵单元13。 [0048] 激光装置3在一个实施方式中可以是能够发射激光脉冲的激光器。激光装置3可以是例如Nd：YAG激光器、准分子泵浦染料激光器、或者任何其它等效激光器类型。激光脉冲的波长例如可以在266至1064nm之间。激光脉冲的光斑尺寸可以在例如3至15mm之间。-12 -9 脉冲的持续时间可以例如在30×10 秒至10×10 秒的范围，提供在0.009m至3m的范围的空间脉冲长度。脉冲长度决定测量的空间分辨率。脉冲的持续时间以及空间长度通常取决于具体应用。激光的脉冲重复率可以例如是10Hz到1000Hz，可具有任何的脉冲强度。 [0049] 窗口单元11提供进入腔室的窗口，其可以设置在燃烧腔室壁10的开口中。激光装置3被设置成使激光装置3发出的激光脉冲能够透过窗口单元11进入腔室。窗口单元11被从泵单元13馈送气体。泵单元13在一个实施方式中可以是气缸。泵单元13提供给窗口单元11的气体(有时称为吹扫气体)通常比在腔室中流动的气体具有更高的压力。因此窗口单元11被吹扫气体保护。通过利用窗口单元11，可将激光脉冲提供到腔室内，并且散射探测器5可以探测后向散射光，而总在腔室和腔室外部之间提供洁净的光学接口。 [0050] 腔室例如可以是炉子，其中腔室壁为炉壁。 [0051] 在图2所示的实施方式中，激光装置3被设置为使激光装置3在竖直方向朝向散射探测器5的下侧发出激光脉冲。这样的设置可以例如通过设置在激光装置3前面的反射镜装置来实现。散射探测器5包括用于将激光脉冲引向窗口单元11从而进入腔室的反射镜装置(未示出)。因此知道散射探测器5探测到的后向散射光是被与激光所沿着传播的光轴O相同的平面内的分子或者原子后向散射的。 [0052] 在一个实施方式中，散射探测器5可包括望远镜的构造以及专用的探测系统。散射探测器5可包括一个或者更多个辐射敏感元件，例如光电倍增管(PMT)。PMT能够将收集到的照射转换为可进一步进行数字处理的电信号。 [0053] 依赖于拉曼散射的实施方式通常具有设置在散射探测器内的用于从拉曼散射光中滤除瑞利散射光的滤光器。因此探测和处理可集中在拉曼散射光。在这样的实施方式中，两个或者更多个PMT可以串联在一起。各PMT然后可以被设置为探测反斯托克斯和斯托克斯散射光中的一种。因此，第一PMT可以例如被设置为从气体物质探测反斯托克斯散射，第二PMT可被设置为从相同的气体物质探测斯托克斯散射。斯托克斯和反斯托克斯散射光子数量之间的信号份额提供用于确定在腔室中的这些光子被后向散射位置处的腔室中的气体的温度。空间脉冲长度确定了所确定的位置的空间分辨率。 [0054] 可以将泵单元13提供到窗口单元11的气体考虑在内来校准散射探测器5，以消除由于该气体提供的后向散射导致的测量误差。另选地，可以将泵单元13提供到窗口单元11的气体考虑在内来校准处理装置7，以消除由于该气体提供的后向散射导致的测量误差。 [0055] 处理装置7可操作地连接至散射探测器5。处理装置7可以是集成单元，它处理从散射单元5接收的数据。另选地，处理装置可以包括多个单元，这些单元一起形成处理装置。 [0056] 参照图3a，下面将更加详细描述确定气体状况以及其在腔室中的位置的第一示例。 [0057] 图3a示出了燃烧系统15的示意性侧面图，其中包括燃烧腔室17(例如炉子)以及气体测量装置1。为了清楚，气体测量装置1中的所有特征未都在图3a中示出。 [0058] 如箭头A所示，空气或者氧气被提供到燃烧腔室17中。而且，如箭头B所示，燃料(例如油、煤或者天然气)被提供到燃烧腔室17中。混合物被点燃，并且在提供了燃料和氧气／空气的区域发生燃烧。通过气体测量装置1，可以确定流过燃烧系统15的气体G的温度和浓度的空间分布，其中气体G是在燃烧腔室17中空气或者氧气与燃料燃烧的产物。 [0059] 在该示例中，气体G在燃烧系统15中沿竖直方向向上流动。然而，应当注意到的是，针对本发明的目的，依赖于燃烧系统的方位，气体一般可沿任何方向流动。 [0060] 气体G通过燃料气体管道20流过燃烧腔室向锅炉区域流动，在锅炉区域它可以加热流体，例如水以便产生蒸汽。气体G通常是若干种气体的混合物，例如氮气、二氧化碳、氧气、一氧化碳、硫化物(SOx)以及NOx气体。 [0061] 为了确定在光轴O处的截面上气体G的状况的空间分布，在步骤S1，激光脉冲被激光装置3发出并被提供到燃烧腔室17中，如在图5中也示出的。激光脉冲例如可以被以10Hz或者500Hz的速率提供到燃烧腔室17中。 [0062] 下面将参照附图3b更加详细地描述后向散射的基本原理。 [0063] 经由窗口单元11发射到燃烧腔室17中的激光脉冲P通过燃烧腔室17传播。激光脉冲P在燃烧腔室17的内壁17-1之间传播。激光脉冲P具有由脉冲持续时间所决定的长度1。 [0064] 流过燃烧腔室G的气体G包括多个分子，例如分子M-1、M-2以及M-n。下文中，分子M-1、M-2以及M-n将被示例为氧分子。应当注意到，在燃烧腔室中的各任意选择的空间单元通常分布了大量的分子。然而，为了简单，本示例将基于三个分子。 [0065] 如上文所述，气体G通常是多种分子类型的非均匀的混合物。在气体G的不同部分，气体G还可以具有不同的温度。 [0066] 随着激光脉冲P传播通过燃烧腔室17中的气体G，光子将被气体G中的分子后向散射。在该示例中通过分别被分子M-1、M-2以及M-n后向散射的光子19-1、19-2以及19-n示出。分子M-1、M-2以及M-n在位置上非常接近地位于距内壁17-1距离为d处，从内壁17-1激光脉冲P发出到燃烧腔室17中。在步骤S2中，处理装置7接收关于激光脉冲P进入燃烧腔室17时的第一时间点的数据。 [0067] 为了示例，假定光子19-1是被按照反斯托克斯散射来后向散射，这表示光子19-1将具有比激光脉冲P的波长更短的波长。而且，假定光子19-2被按照斯托克斯散射来后向散射，这表示光子19-2将具有比激光脉冲P波长更长的波长。另外，假定光子19-n被按照瑞利散射来后向散射。 [0068] 在步骤S3，在光子19-1、19-2和19-n通过窗口单元11离开燃烧腔室17之后，后向散射光子19-1、19-2和19-n被散射探测器5探测到。 [0069] 瑞利散射光子19-n被滤光器滤除。反斯托克斯散射光子19-1和斯托克斯散射光子19-2被散射探测器5中的相应PMT探测到。 [0070] 处理装置7从散射探测器5接收与探测到的斯托克斯散射光子的数量以及探测到的反斯托克斯散射光子的数量有关的数据。而且，在步骤S4中还登记第二时间点，也就是发生探测到光子时的时间点。后向散射光子19—1和19-2的波长的变化被处理装置7用来确定分子M-1和M-2的类型。通过探测到的来自距离d处的后向散射分子的量，在步骤S6处理装置7可确定距离d处的氧的浓度。在步骤S5，通过距离d确定分子M-1和M-2的位置，并且通过激光脉冲P的预定脉冲长度1确定空间分辨率。因此，分子M-1和M-2的位置可以被确定为在位置d，空间分辨率为长度1。 [0071] 可以基于后向散射拉曼光子19-1和19-2之间的份额来确定分子M-1和M-2的温度。一般地，可以基于后向散射斯托克斯光子以及反斯托克斯光子的总量的份额确定特定位置处气体G的温度。 [0072] 应当注意到的是，除了拉曼散射，也可使用瑞利散射来确定燃烧腔室中气体的空间温度分布。 [0073] 参照图4，其中示出了本发明的进一步的应用。在图4a所示的应用中，还可以确定气体G的流速的空间分布。因此，还可以确定质量流量。 [0074] 图4所示的燃烧系统15与图3a所示的相似。在图4的示例中，气体测量装置1进一步包括反射镜装置21，反射镜装置21相对于激光装置3和散射探测器5而布置在燃烧腔室17的对侧。 [0075] 在本示例中，反射镜装置21设置在燃烧腔室17外面。窗口单元11因此设置在燃烧腔室的与设置了散射探测器5的壁相对的壁上。因此激光脉冲可离开燃烧腔室17，以便被燃烧腔室17外的反射镜装置21改向，并且通过窗口单元11返回到燃烧腔室内。在该示例中，被反射镜装置21改向后的激光脉冲沿与激光脉冲第一次被激光装置3发射到燃烧腔室中的方向相反的方向引导。改向后的激光脉冲可在与第一平面23-1平行的第二平面23-2内传播，第一平面23-1是激光脉冲被气体测量装置1发射时传播的平面。 [0076] 可通过与上文中参照图3a至图3b所记载的相似的方式来确定气体G的空间分布以及空间温度分布。 [0077] 图4的实施方式的进一步的优点是通过本发明的装置还可以确定气体G的流速的空间分布。然而应当注意到的是，反射镜装置的位置可以根据应用而不同。在这点上，本领域技术人员可很容易地想到反射镜装置的不同设置。 [0078] 现在将描述沿着与光轴横向交叉的流体轴(flow axis)25的流速的确定。确定流速的该示例是基于二维后向散射测量。 [0079] 流体轴25位于距燃烧腔室17的壁距离为d2处。 [0080] 探测从在第二平面23-2内传播的改向后的激光脉冲后向散射的光或者光子并且将其确定为是从第二平面23-2内的气体分子后向散射。这可通过确定激光脉冲经由激光装置3进入燃烧腔室17时的第一时间点以及通过确定探测到后向散射光时的第二时间点来计算。由于燃烧腔室17的宽度是已知的，可以确定所探测到的后向散射光是从第二平面23-2内的分子何时发出的。 [0081] 然后，可以基于上述参照附图3b描述的原理，确定在第二平面23-2与流体轴25交叉处附近的浓度。接着，所确定的在第二平面23-2与流体轴25交叉处附近气体G的浓度被加时间戳。 [0082] 激光脉冲以例如10Hz至500Hz之间的速率发射到燃烧腔室中。在确定第二平面23-2与流体轴25交叉处附近气体G的浓度的同时，用类似方式确定第一平面23—1与流体轴25交叉处附近气体G的浓度。 [0083] 当该气体的浓度与所确定的第二平面23-2与流体轴25交叉处附近的浓度相等或或者非常相似时，这也被加时间戳。接着处理装置7可以通过确定在第二平面23—2与流体轴25交叉处附近所确定的浓度测量值与在第一平面23-1与流体轴25交叉处附近的类似测量结果之间时间的差，来确定沿着流体轴25的流速。 [0084] 可以通过将浓度乘以流速来确定质量流量。 [0085] 可通过上文中参照附图3a至图3b所描述的相同的方式来确定空间温度分布。 [0086] 在这里记载的任何实施方式中，可使用一个或者更多个反射镜来限定燃烧腔室中的探测面。这样的反射镜可以被设置在燃烧腔室内壁的相对于激光装置的远端处上、与图2中的光轴O相同的平面内。 [0087] 这里描述的气体测量装置可以应用在发电厂以及任何相似场所的气体测量中，这里气体流动以及气体特征和／或状况的分布的确定是重要的。 [0088] 本领域技术人员应当认识到，本发明不限于上文描述的示例。相反，在所附权利要求书的范围内可以有很多改进和变型。例如，可通过两个平行的激光装置设施实施二维流速测量，而不是利用一个反射镜装置和一个激光器。因此，可使用各单个激光器的各平行激光脉冲的发射时间来确定气体流速。而且，反射镜装置可布置在相对于激光脉冲发射到腔室时所沿的主平面的下游，而不是以上示例中提到的上游。 |
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