用于燃烧装置运行的方法以及用于执行该方法的燃烧装置

摘要

本发明涉及一种用于燃烧装置(10)运行的方法，该燃烧装置(10)包括至少一个带有多个并联工作的燃烧器(B1，..，Bn)的燃烧室(11)，燃烧器(B1，..，Bn)分别产生进入到燃烧室(11)中的火焰(F1，..，Fn)，其中，从燃料供应源(16)中通过燃料分配系统(18)向燃烧器(B1，..，Bn)中的每一个供给燃料，燃料分配系统(18)包括控制元件(V1，..，Vm)，以用于手动或受控地调节单个燃烧器(B1，..，Bn)和/或燃烧器组(B1，..，B3；Bn-2，..，Bn)的燃料供应和/或燃料成分。在该方法中，由此实现快速优化或均匀化，即，使得取决于燃料分配系统(18)的控制元件(V1，..，Vm)的位置提供燃烧器(B1，..，Bn)的火焰温度的函数(F)，该函数(F)通过测量在燃料分配系统(18)的控制元件(V1，..，Vm)的多个预设的位置下的火焰温度而被校准，并且借助于已校准的函数(F)，得出并调整燃料分配系统(18)的控制元件(V1，..，Vm)的用于燃烧器(B1，..，Bn)的火焰温度的预设的分配的优化的位置。

说明书

技术领域

本发明涉及燃烧技术领域，尤其用于燃气轮机。本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于燃烧装置运行的方法以及用于执行该方法的燃烧装置。

背景技术

在带有多个并联工作的燃烧器的燃烧室(Brennkammer)中，如在燃气轮机、活塞式发动机以及锅炉中所存在的那样，为了使用寿命的最大化和有害物质排放的最小化，使单个燃烧器的火焰温度平衡，更确切地说使其均匀化(homogenisieren)。通常，这种均匀化在结构上通过单个燃烧室及其燃料供应源(Brennstoffzufuhr)的尽可能相同的构造来实现。然而，在实际的设备中，通过拓扑的(topologisch)差别以及一些与容差相关的偏差的共同作用，部分地产生超过容许值的燃烧器之间的温度差异。

与制造相关的单个燃烧器之间的差异可通过单次(einmalig)的均匀化来修正。对此，单个燃烧器的火焰温度被测量并通过燃料供应源的被动的节流来平衡(例如见文件WO-A1-2005/010437)。目前使用以下已知的方法作为用于火焰温度确定的测量方法：

●基于光谱测量计算绝热火焰温度(例如见文件US-A-6,318,891)。

●通过借助于下列内容的间接测量

○燃烧器的壁温度

○燃烧器的NO_x排放

○燃烧气体的CO₂或O₂含量(λ传感器)

●通过火焰化学发光强度采测量温度，例如NO_x分子的化学发光(例如见文件US-A-5,670,784)。

在实际情况下，优化过程经常由于大量的待优化、如有可能同样安置在多个燃烧室中的燃烧器(只能很缓慢地同时确定这些燃烧器的火焰温度)而失败。上文所提及的用于确定火焰温度的方法，除了化学发光强度方法以外，都需要大约10秒至1分钟的典型的测量持续时间。该时间必须与用于多燃烧器系统的均匀化的消耗相比较。在燃烧器的相互影响下，N个燃烧器的均匀化相当于对带有N个参数的系统进行优化。即使在高效的方法下，用于这种优化的测量消耗也将达到N²的数量级。这就导致带有50个燃烧器的设备的完全平衡需要超过一天的时间。

基于化学发光强度来确定温度很早就已被提出。在经过修正的阿累尼多斯(Arrhenius)定律下，由光学系统(Optik)收集的化学发光的强度I取决于火焰温度T：

(1)$I\left(T\right)=A·{\Phi }_0\exp \left(\frac{T-T_0}{\tau }\right).$

其中，Φ₀表示在温度T₀下的火焰的辐射密度。该强度与特征值τ一样取决于燃料的成分和压力。然而，测量的强度I也通过光学系统的透射率和孔径来确定，其归纳在平面参数A中。当所有参数已知时，就可基于化学发光强度很快地执行温度确定。即使燃烧器处在压力(30bar)和1200℃的温度下时，化学发光强度也足够以达至10kHz的频率被测量。

在实际情况下，通过化学发光强度来确定温度是不适用的，因为化学发光十分敏感地取决于燃料和空气(湿气)的成分以及燃烧室中的压力。在此，即使局限于如OH*，CH*或NO*的单个波长范围也不会带来任何改善，因为对于每个原子团中都存在与燃料成分的相关性。此外，强度确定一直遭受由水汽(该水汽在燃烧过程中可快速地在某一时间出现)导致的光学系统的传输损耗。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种用于带有多个燃烧器的燃烧装置运行的方法(该方法快速引起单个燃烧器中的差异的平衡并且由此快速引起装置的优化运行)，以及公开了适合于本方法的燃烧装置。

该目的通过权利要求1和11的特征的总体而实现。在此，本发明基于带有如在唯一的图中所呈现的以下部件的系统：

●带有一个(或多个)待调节或单次待平衡的燃烧室11的燃烧装置10，该燃烧室11带有多个燃烧器B1，..，Bn，燃烧器B1，..，Bn通过燃料分配系统18而被供给燃料并且产生相应的火焰F1，..，Fn。

●对于每个燃烧器B1，..，Bn，用于直接或间接确定其火焰温度的装置。在图中示范性地为燃烧器(Fn)中的一个，画出了与强度无关的温度测量装置12和基于化学发光强度的温度测量装置13。

●控制元件(Stellglieder)(如可调的喷嘴、孔、节流阀、阀门或者流量调节器(Durchflussregler))，其用于手动或受控地调节单个燃烧器或燃烧器组的燃料供应或燃料成分，在图中通过布置在燃料供应源16和燃烧器B1，..，Bn之间、负责单个燃烧器或燃烧器组的阀门V1，..，Vm和控制器17来表示(在此，控制元件的数量可与燃烧器的数量不同)。

●可能的测量值探测器(Messwertaufnehmer)如传感器、仪器和器械，其用于确定燃料的温度、压力、密度、流量、粘度、热导性或者甚至成分，对此在图中示范性地画出了用于燃料的测量装置M1和M2。以λ传感器的形式的另一测量装置M3布置在燃烧室11的废气出口14中。

●可能的独立(autonom)调节单元如流量调节器、压力调节器、温度调节器或者用于确定燃料成分的调节器，其在图中示范性地表示为燃料调节装置15。

●燃料供应源的管路系统的简化的系统分析，其将燃料流量的相关系描述为控制元件和独立调节单元的位置的函数。为了改进对燃料流量的计算，系统分析还考虑到可能的测量值探测器的测量值。例如，该系统分析可通过计算压力损失而完成，在其中，阀门的流量通过阀门位置和通过阀门的压力降来描述。为此所需的与位置相关的阻力系数必须作为阀门的特性曲线而已知。

●用于使有害物质排放最小化或使火焰温度均匀化的算法。

对于本发明而言，简化的系统分析是关键，在该系统分析中，为了燃烧装置的快速优化或均匀化，取决于燃料分配系统的控制元件的位置提出了燃烧器火焰温度的函数，该函数通过测量在燃料分配系统的控制元件的多个预设位置下的火焰温度而被校准，并且借助于已校准的函数，得出并调整燃料分配系统的控制元件的用于燃烧器的火焰温度的预设的分配的优化的位置。

根据本发明的方法的设计方案的特征在于，燃烧装置具有用于确定燃料特性(如温度、压力、密度、流量、粘度、热导性以及成分)的测量装置，并且测量装置的测量值作为变量结合到火焰温度的函数中。

本方法的改进方案的特征在于，燃烧装置具有用于独立调节燃料特性(如流量、压力、温度或者成分)的燃料调节装置，并且取决于燃料调节装置的调节值来创建函数。

根据本发明的方法的另一设计方案的特征在于，在每个燃烧器前在燃料分配系统中连接有带有固定特性曲线的阀门，并且为了得出函数，假设相应的燃烧器的待期望的火焰温度与通过在其前连接的阀门的燃料流量成比例。

根据本发明的方法的另一设计方案的特征在于，首先测量单个燃烧器火焰的火焰温度，并且根据所测出的火焰温度对燃烧装置进行均匀化。

根据本发明的方法的另一设计方案的特征在于，首先测量单个燃烧器火焰的火焰温度，并且根据所测出的火焰温度对燃烧装置进行优化。

根据本发明的方法的另一设计方案的特征在于，首先测量单个燃烧器火焰的火焰温度，并且根据所测出的火焰温度、考虑连续的优化，对燃烧装置进行调节。

在此，单个燃烧器火焰的火焰温度尤其可通过测量化学发光强度来确定。

特别有利的是，在周期性的时间间隔内通过用于测量火焰温度的与强度无关的方法来再校准化学发光强度的测量，其中，使用用于测量火焰温度的方法作为与强度无关的再校准方法，该方法以用于负责燃料流量的控制元件的流量特性曲线为基础。

根据本发明的燃烧装置的有利的设计方案的特征在于，燃料分配系统具有用于确定燃料特性(如温度、压力、密度、流量、粘度、热导性以及成分)的燃料测量装置和用于独立调节燃料特性(如流量、压力、温度或成分)的燃料调节装置，燃料测量装置和燃料调节装置与控制器相连接。

特别地，作为控制元件阀门与燃烧器中的每一个相关联，以用于调整通到相关的燃烧器的燃料流量，其中，阀门与控制器相连接。

附图说明

下面将借助于与附图相关的实施例来进一步解释本发明。唯一的图显示了根据发明的一种实施例的燃烧装置的非常简化的系统示意图。

具体实施方式

因为火焰温度对于燃料和空气流量的最小的偏差非常敏感地做出反应，所以即使费时的计算也不足以能足够精确地预先计算出单个燃烧器的火焰温度。可通过对火焰温度的附加测量来确定和修正这些偏差。但是因为此类方法需要大量时间，所以带有多个燃烧器的设备的完全优化经常持续很长时间而不够经济。

此处采用本发明，因为本发明通过两个策略显著加快调整过程：

第一个策略将火焰温度的确定缩短为小于一秒，而第二个策略将优化过程缩短为确定用于计算火焰温度的少量参数，参数的数量与燃烧器的数量成比例。通过这两个策略的结合，均匀化过程变得如此地快速，以使得可实现不仅周期性地而且甚至不断地调节火焰温度的平衡。

用于加快火焰温度确定的新构想为持续再校准的化学发光强度测量。在这种构想中使得两个所制定的测量方法的优点相结合。强度测量方法的缺点可通过与强度无关的温度测量的结合而抵消，利用该温度测量定期地(例如以十分钟的周期)再校准强度测量。

出于实际原因，在短时间的火焰温度波动和湍流火焰的强度的振荡之间存在区别。化学发光强度的变化视为振荡，这些变化发生快于一定的极限频率(在燃气轮机中约为8Hz)。而较慢的变化则被认为是火焰温度的变化。在此，极限频率通过火焰和燃料供应的控制元件之间的调节对象(Regelstrecke)上的时间延迟来确定。带有小于该时间延迟的周期的频率被认为是振荡。

用于加快优化的新构想在于，通过全面的分析将系统归结为

(2)   T＝F(s，x，y)

形式的解析函数F。其中，T表示包含单个燃烧器的火焰温度的N维向量。M维向量s包含控制元件的位置。理想地，对于每个燃烧器只有一个控制元件，从而N与M相同。然而在实际情况下，大多选择M＞N。K维向量x包含可能的测量值探测器的测量值以及可能的独立调节单元的调节值。因为可能完全不采集(erheben)这些测量参量因此维数K也可能是0。此外，系统分析L包含收集(zusammentragen)在L维向量y中的估计的偏差。例如，这可能是影响流量的压力差的偏差。这些未知的偏差导致，在N＝M的情况下不能直接根据s求解出函数F。因此必须首先校准系统。校准如此地实现，即，在n个不同的调整sⁱ下检验系统。其中，sⁱ又可理解为全部M个控制元件的M维向量。此时对于每个调整向量，必须对产生的温度向量Tⁱ(连同测量值探测器的测量值和独立调节单元的调节值xⁱ一起)进行确定。利用测量结果可通过加权X²拟合优度检验(Anpassungstest)来得出偏差y。其中，参量

(3)$X^2\left(y\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{(F(s^i,x^i,y)-T^i)}^T{V}_T^{-1}(F(s^i,x^i,y)-T^i)$

通过y的变化而最小化。在此，V_T表示N×N维的加权矩阵，其从温度测量的统计精度中得出。可快速地执行最小化，因为F是可被计算出导数的解析函数。由此，可借助迭代数值方法和足够多的测量次数n·N＞L来找出优化的y^min。利用已知的y^min对系统进行校准。

利用已校准的系统，对于任意的调节值x，可确定用于期望的温度T^h的控制元件的优化位置s_min(x)。对此，通过加权X²拟合优度检验，参量

(4)$X^2\left(y\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{(F(s,x,y^{\min })-T^h)}^T{V}_T^{-1}(F(s,x,y^{\min })-T^h)$

通过s的变化而最小化。以数值的方式得出的值s^min(x，T^h)则提供了所需要的位置。

概括地来说，待完成的测量任务减少至n·N＞L次校准测量。实际的优化则通过纯粹的数值方法来实现而无需其它测量。

下面通过简化的实施例来解释该方法：

应测试带有K＝0、不带有可能的传感器或独立调节单元的简化系统。系统应由包括N个燃烧器B1，..，Bn。在每个燃烧器B1，..，Bn的燃料供应源中，每个燃烧器B1，..，Bn之前安置有带有固定的特性曲线ζ(s)的阀门V1，..，V3；Vn-2，..，Vn。

(5)$\mathrm{\Delta p}=\zeta \left(s\right)·\frac{\rho }{2}{v}^2$

其中，燃料应通过压力调节器降至压力p₁，自该压力调节器起，燃料通过分配器系统供应给阀门V1，..，V3；Vn-2，..，Vn。分配器中的压力降忽略不计。同样带有压力p₂的共同的燃烧室11中的压力差忽略不计，从而对于燃烧室的所有燃烧器而言压力降p₁-p₂是相同的。对于带有管截面积A的相同构造的阀门来说，由此得出流量q为

(6)$q\left(s\right)=A\sqrt{\frac{2\rho (p_1-p_2)}{\zeta \left(s\right)}}.$

为简化起见，此时假设，待期望的火焰温度与燃料流量成比例，或者说，较高次的项可忽略不计：

(7)T_k＝T^r+a·(q(s_k)-q(s^r))＝F_k(s_k)。

其中，a总和了燃料的燃烧热值、燃料的比热、进气比热以及燃烧的过量空气系数(Luftzahl)。方程(7)是带有N维的对于y＝0的所需要的系统函数F。光学传感器的未知的透射率将用作偏差。

从方程(1)中，得出第k个燃烧器(Bk)的火焰温度(基于第k个燃烧器的化学发光强度I_k)：

(8)T_k＝T⁰+τln(I_k)-τln(A_k·Φ⁰)。

如果使用

(9)T′_k＝T⁰+τln(I_k)

作为测出的温度时，则可将方程(8)的右侧最后一项附加到方程(7)的系统函数F：

(10)T′_k＝T^r+a·(q(s_k)-q(s^r))+τ·y_k＝F′_k(s_k)，其中y_k＝ln(A_kΦ⁰)。待求解的对于F’的校准函数此时结果为不同测量i下的总和以及强度I_kⁱ(I_kⁱ在调整值s_kⁱ下确定)的每个燃烧器k下的总和：

(11)$X^2\left(y\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\underset{k=1}{\overset{N}{\Sigma }}{(y_{N+1}+y_{N+2}·q\left(s_k^i\right)+y_k-\ln \left(I_k^i\right))}^2$

其中y_N+1集合了以下非线性彼此独立的项

(12)$y_{N+1}=\frac{T^r-a·q\left(s^r\right)-T^0}{\tau },$

并且y_N+2描述了两个只能共同被优化的未知量a和τ：

(13)$y_{N+2}=\frac{a}{\tau }.$

校准方程(11)为线性(L＝N+2)维的X²拟合优度检验，其可根据校准值y^min利用已知的线性代数方法来求解。

一旦校准了系统或者说y_k^min已知时，便可确定阀门位置。为此必须在关于s的N维X²拟合优度检验中限定相同火焰温度T^h的均匀化条件：

(14)$X^2\left(s\right)=\underset{k=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\left(\frac{F_k\left(s\right)-T^h}{\tau }\right)}^2=\underset{k=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\left(\frac{T^r+a·(q\left(s_k\right)-q\left(s^r\right))-T^h}{\tau }\right)}^2.$

利用方程(12)和(13)，得出：

(15)$X^2\left(s\right)=\underset{k=1}{\overset{N}{\Sigma }}{(y_{N+1}^{\min }+\frac{T^0-T^h}{\tau }+y_{N+2}^{\min }·q\left(s_k\right))}^2..$

该X²拟合优度检验的解决方案是：

(16)$q\left(s_k\right)=\frac{T^h-T^0}{a}-\frac{y_{N+1}^{\min }}{y_{N+2}^{\min }}..$

这是使得燃烧器B1，..，Bn的火焰温度最佳可能地均匀化为温度T^h的关于阀门V1，..，V3，..，Vm-2，..，Vm待选择的流量值。最后，从已知的阀门特性曲线(方程(6))中可计算出所需要的调整值s_k。

应指出的是，在该示例中实际上得出了期望的解决方案。根据所提出的假设，从阀门V1，..，V3，..，Vm-2，..，Vm的流量中直接求出火焰温度。缺失了燃烧器B1，..，Bn之间的相关性和相互关联，这就是为什么同样可单独地从系统函数(7)中为每个燃烧器推导出上文所描述的解决方案。因此，更确切地说，这种简单系统的校准相当于基于阀门位置的强度测量的校正，其的确明确地确定了单个燃烧器的火焰温度。

通常情况并非如此，因为一个位于另一个之下的燃烧器通过气流或者燃料分配系统而相互关联。然而在相关联的燃烧器中，通过可通过调节单元的变化来执行火焰温度的校准。作为该简化示例的结果，得出了基于控制元件的流量特性曲线的与强度无关的再校准方法的设想的基本原理，其允许通过普遍性的(generisch)阀门特性曲线来校准化学发光强度的测量。此外，该设想与优化相结合形成火焰均匀化，在已知的控制元件的特性曲线下通过纯粹的化学发光的强度测量来执行火焰均匀化。该简化方案从方程(11)中显而易见。

总的来说，对于多燃烧器系统提出以下解决方案：

1.快速的火焰温度确定，其基于根据快速待测量的化学发光强度的温度计算以及利用与强度无关的方法的周期性再校准。

2.加快的火焰均匀化，其基于系统分析以及由此推导出的数值优化方法。

3.快速火焰温度测量与加快的优化方法的结合，以用于带有多个燃烧器的系统的均匀化。

4.快速火焰温度测量与加快的优化方法的结合，以用于带有多个燃烧器的系统的调节。

5.基于控制元件的流量特性曲线的与强度无关的再校准方法。

6.基于控制元件的流量特性曲线、根据化学发光强度测量的用于带有多个燃烧器的系统的火焰均匀化的方法。

参考标号列表

10          燃烧装置

11          燃烧室

12          温度测量装置(与强度无关)

13          温度测量装置(化学发光强度)

14          废气出口

15          燃料调节装置(独立)

16          燃料供应源

17          控制器

18          燃料分配系统

V1，..，Vm  控制元件(用于流量调节)

B1，..，Bn  燃烧器

F1，..，Fn  火焰

M1，..，M3  测量装置