用于测量流体流的温度和速度的工厂、测量系统及方法

摘要

一种测量经过工厂(1)的装置(5,7,11)的流体流的温度和速度的方法，包括将至少两个传感器(13)定位在装置中的步骤。对于各个传感器(13)，确定用于从另一个传感器(13)接收的声信号(17)的行进路径(18a,18b)。各个传感器(13)发射处于与待由流体流中的其他传感器(13)发射的声信号(17)的频率不同的频率的声信号(17)。基于由传感器接收到的声信号(17)来确定流体流的速度分布和温度分布。测量系统可包括传感器(13)和计算机装置(15)，计算机装置(15)可基于由传感器(13)接收到的声信号(17)来确定经过装置(5,7,11)的流体流的速度分布和温度分布。工厂(1)可构造成实施该方法，或包括测量系统的实施例。

说明书

技术领域

本创新涉及构造成探测以及探测和/或测量流体流的温度和速度的设备，具有此至少一个此类设备的工厂，以及制作和使用其的方法。

背景技术

美国专利申请公布第2012/0150413号公开了一种方法，燃气涡轮的气体流的温度可由该方法测量。用于测量工厂的气体流的温度的机构和方法的其他示例可从美国专利申请公布第2014/0144156号、第2013/0047576号、和第2010/0050591号了解。用于识别气体的温度的测量系统可能无法提供关于测量的气体的其他信息。此类系统还可能无法提供可用于识别对计划预防性维护的需要的信息。

发明内容

根据本文所示的方面，一种测量经过工厂的装置的流体流的温度和速度的方法，包括将至少两个传感器定位在装置中的步骤。对于各个传感器，可确定用于从其他传感器接收的声信号的行进路径。各个传感器可将处于与待由其他传感器发射的声信号的频率不同的频率的声信号发射到流体流中。还可基于由传感器接收到的声信号来确定流体流的速度分布和温度分布。

根据本文所示的其他方面，一种用于工厂的装置的测量系统可包括传感器阵列和计算机装置。传感器阵列可构造成探测将经过装置的流体的温度和速度。传感器中的每一个可构造成发射处于与待由传感器阵列中的另一个或多个传感器发射的声信号的频率不同的频率的声信号。传感器中的每一个还可构造成接收由另一个或多个传感器中的至少一者发射的声信号。计算机装置可具有硬件，其包括通信地连接至非暂时性存储器的至少一个处理器。计算机装置可构造成可通信地连接至传感器，以基于从传感器接收的数据来确定将经过装置的流体的速度分布和温度分布。从传感器中的每一个接收的数据可基于由该传感器接收到的各个声信号。

根据本文所示的其他方面，一种工厂可包括装置、传感器阵列以及计算机装置。装置可为燃烧装置、锅炉、炉子、燃气涡轮、热回收蒸汽发生器、或换热器。传感器阵列可定位在装置中，以在装置的操作期间探测经过装置的流体的温度和速度。传感器中的每一个可构造成发射处于与待由另一个或多个传感器发射的声信号的频率不同的频率的声信号。传感器中的每一个还可构造成接收由另一个或多个传感器中的至少一者发射的声信号。计算机装置可具有硬件，其包括通信地连接至非暂时性存储器的至少一个处理器。计算机装置可构造成可通信地连接至传感器，以基于从传感器接收的数据来确定经过装置的流体流的速度分布和温度分布。从传感器中的每一个接收的数据可基于由该传感器接收到的各个声信号。由计算机装置进行的速度分布和温度分布的确定，可基于流体的温度和速度波动之间的理论相关性，估算由传感器接收的声信号的行进路径，且估算声信号的行进时间和声信号的预期的行进时间之间的差异。行进时间的变化可由计算来确定，其中由计算机装置确定流体流的速度空间平均。由计算机装置确定与确定的速度空间平均相比的速度空间平均的局部波动。可通过从速度空间平均减去确定的局部波动来确定声信号的行进时间。流体流的速度空间平均可基于以下确定：

其中i是迭代步骤，t是时间，L是用于声信号的行进路径的长度，c₀是声速的空间平均，U₀是在沿限定的x轴的方向上的流体的平均速度分量，V₀是在沿限定的y轴的方向上的流体的平均速度分量，且φ是声音传播与限定的x轴的角度。确定速度空间平均的局部波动可基于：

其中T₀是温度的空间平均，ΔT是温度的局部波动，ΔU是沿限定的x轴的流体速度的波动，ΔV是沿限定的y轴的流体速度的波动，且R是装置中的流体经过的位置。

上文描述的和其他特征由以下的图和详细描述来例示。

附图说明

设备、工厂及相关联的示例性方法的示例性实施例在附图中示出。应当理解的是，在附图中使用的相似参照标号可标识相似的构件，在附图中：

图1是工厂的第一示例性实施例的框图。

图2是示出可包括在工厂的第一示例性实施例中的示例性传感器阵列的示意图。

图3是工厂的第一示例性实施例的传感器的示例性实施例的框图。

图4是工厂的第一示例性实施例的计算机装置的示例性实施例的框图。

图5示出了可由工厂的第一示例性实施例的计算机装置生成的流体流的温度分布和速度分布的示例性显示。

本文中公开的创新的实施例的其他细节、目标、以及优点从示例性实施例和相关联的示例性方法的以下描述将变得显而易见。

具体实施方式

参照图1-5，工厂1可构造为工业工厂、发电工厂、或其他类型的工厂。在一些实施例中，工厂1可构造成发电。工厂1可包括燃料源3(诸如煤磨机或保留燃料(诸如油或天然气)的储存罐)，其经由连接在燃料源3和燃烧设备5之间的供给管道将燃料供给至燃烧设备5。供给至燃烧设备5的燃料可为化石燃料，或可为另一类型的燃料。

燃烧设备5可构造为装置，诸如锅炉、炉子、燃烧器、或构造成在燃烧室(限定在燃烧设备5的容器内)中燃烧燃料的其他类型的燃烧装置。燃烧设备可构造成使用一个或多个燃烧区域(限定在燃烧室内)中的一个或多个焚烧器以用于燃料的燃烧。燃烧设备还可接收空气或其他氧化剂流以用于燃料的燃烧。

燃料在燃烧设备中的燃烧可形成热烟道气。来自烟道气的热可经由燃烧设备5的出口管道内的一个或多个换热器传递至水、蒸汽、或其他流体，以用于在该流体供给至生成单元的至少一个燃气涡轮7之前加热该流体。在一些实施例中，生成单元的燃气涡轮7可连接至构造成发电的发生器。

由燃料的燃烧形成的烟道气可从燃烧设备5输出，且经由气体处理单元供给管道(连接在气体处理单元9和燃烧设备5之间)供给至气体处理单元9。气体处理单元9可包括沉淀器、袋滤室、脱硫单元、碳捕获系统、和/或用于从烟道气除去污染物和/或微粒的其他气体处理机构。由气体处理单元9处理的烟道气的一部分可经由至少一个循环管道(连接在气体处理单元9和燃烧设备5之间)再循环回燃烧设备。烟道气的另一部分可从气体处理单元9输出，且经由气体处理单元输出管道(连接在气体处理单元9和HRSG 11之间)供给至另一装置(诸如烟囱或热回收蒸汽发生器(HRSG)11)。备选地，来自涡轮7的气体可提供至HRSG 11，如由其间的短划线所示。

烟道气可经过HRSG 11，使得来自烟道气的热可经由连接至HRSG(例如，蒸发器等)的换热器传递至水或其他流体。烟道气可从HRSG输出，以经由烟囱12或烟筒放出至工厂1外的大气，烟囱12或烟筒可连接至HRSG 11，以用于接收用于放出至大气的烟道气。

工厂1还可包括包含至少一个传感器13阵列的测量系统、以及通信地连接至传感器13的计算机装置15。传感器13中的每一个可包括硬件，其包括至少一个声信号发射器和至少一个声信号接收器。例如，如可从图3了解的那样，各个传感器13可包括处理器24，处理器24通信地连接至非暂时性存储器23、发送器单元21以及接收器单元22。处理器24可为中央处理单元、微处理器、核心处理器、或其他类型的硬件处理器装置。非暂时性存储器可为闪速存储器或其他类型的计算机可读介质。发送器单元21和接收器单元22可为传感器13的收发器单元的部分。在一些实施例中，发送器单元21可包括发射器或高音扬声器，其构造成发射声信号到经过燃烧设备的流体流中。各个传感器13可构造成发射处于对于该传感器13独特的频率的声信号，使得传感器中的每一个发射处于与测量系统的传感器阵列内的所有其他传感器13的频率不同的频率的声信号。发送器单元21还可包括发送器，其构造成将数据经由通信路径(其可包括无线传输路径和/或有线传输路径)从由接收器单元22接收到的声信号送至计算机装置15。例如，发送器单元21还可包括发送器，其经由无线网络连接、有线网络连接、或其他类型的网络连接向计算机装置15提供数据。作为另一示例，发送器单元21可构造成经由直接有线通信链路(在计算机装置15和传感器13之间延伸)或经由直接无线通信链路(在传感器13和计算机装置15之间延伸)将数据送至计算机装置15。

如从图4可见，计算机装置15可包括硬件，诸如处理器31，其通信地连接至非暂时性存储器39、发送器单元37、接收器单元35、以及至少一个输入装置33。例如，输入装置33可包括键盘、鼠标、按钮、或可容许用户向计算机装置15提供输入的其他输入装置。非暂时性存储器可包括闪速存储器、硬盘驱动器、或其他类型的计算机可读介质。存储器39可储存可由处理器31运行的一个或多个程序38，以引起计算机装置15执行特定方法。例如，程序可由限定方法的代码限定，该方法在计算机装置15的处理器31运行程序时由计算机装置15执行。发送器单元37和接收器单元35可各自为收发机单元的部分。接收器单元35可构造成接收从传感器13发送至计算机装置15的数据。发送器单元37可构造成将数据发送至传感器13，且还可构造成将数据发送至其他装置。

计算机装置15还可连接至一个或多个外围装置，其可包括至少一个输入装置和至少一个输出装置。例如，显示装置41和打印机43可各自通信地连接至计算机装置15，使得数据可经由显示装置41显示或经由打印机43打印。显示装置41可构造为液晶显示、计算机显示器、或其他类型的显示。在一些实施例中，显示装置41可构造为触摸屏，使得显示装置且还基于用户操纵显示装置41的屏幕而向计算机装置提供输入。计算机装置15还可连接至至少一个声装置45，诸如麦克风(其可构造成将由用户提供的声输入提供至计算机装置15)或扬声器(其可构造成将从计算机装置15接收到的声数据输出至计算机装置15的用户)。

在一些实施例中，第一传感器13阵列可定位在燃烧设备5中，以将声信号发射到流体流(例如，烟道气或与气体混合的燃料)中。如在图1中以虚线指示的那样，至少一个第二传感器13阵列也可定位在诸如HRSG 11和/或燃气涡轮7的另一装置中，以将声信号发射到流体流(诸如气体流)中。在还有其他实施例中，传感器13可仅定位在HRSG 11中，或可仅定位在燃气涡轮中，或可仅定位在HRSG 11和燃气涡轮7中。在还有其他实施例中，传感器可定位在另一装置(例如，换热器)中，以用于确定可经过该装置的管道或室的流体(诸如液体或气体)的温度分布和速度分布。

定位在装置(例如，燃烧设备5、HRSG 11、燃气涡轮7、或换热器)中的传感器13阵列可包括间隔开的传感器13阵列，如图2中所示的那样。在一些实施例中，传感器13阵列可沿装置的周长或沿流体流过的装置的管道的周长与彼此间隔开。传感器可与彼此间隔开，使得传感器中的一些处于与其他传感器13不同的高度。在一个实施例中，传感器13阵列可包括定位在装置的室或管道的第一角落中的第一传感器13a、定位在第一传感器和第三传感器13c之间的第二传感器13b，第三传感器13c位于装置的室或管道的另一角落处。第四传感器13d可定位在第三传感器13c和第五传感器13e之间，第五传感器13e位于装置的室或管道的另一角落处。第六传感器可位于第五传感器和第七传感器13g之间，第七传感器13g位于装置的室或管道的另一角落处。第八传感器13h可位于第七传感器13g和第一传感器13a之间。测量系统的一些实施例可使用少于八个传感器，且其他实施例可使用多于八个传感器。例如，一些实施例可使用至少两个传感器13、至少四个传感器13、至少六个传感器13或至少十个传感器。

各个传感器13可发射处于独特频率的声信号17，以用于发射到经过装置的室或管道的流体流中，使得所有其他传感器可接收由该传感器发射的声信号，或使得其他传感器中的一些可接收该发射的声信号。由各个传感器发射的声信号可沿从发射传感器延伸至接收传感器的行进路径或传输路径行进。行进路径可由于传感器的定位而对于不同传感器长度不同。例如，由第八传感器13h发射的声信号17可沿第一行进路径18a(其延伸过第一距离，以由第三传感器13c接收)延伸，且可沿第二行进路径18b(其延伸过第二距离，以用于由第四传感器13d接收)行进。第一行进路径18a可比第二行进路径18b较长或较短。此外，对于接收传感器中的不同的接收传感器而言，声信号由发射传感器发射的时候至该声信号由接收传感器接收的时间之间经过的行进时间(例如，飞行时间)也可不同。

传感器13中的每一个可构造成接收由传感器阵列中的至少一个其他传感器发射的声信号，且将那些接收到的信号或基于那些接收到的信号的其他数据发送至计算机装置15。计算机装置15可然后使用从传感器阵列中的所有传感器13接收到的该数据来确定流体的二维温度分布以及经过装置的室或管道的流体流的二维速度分布。在一些实施例中，计算机装置可构造成使用来自传感器的数据以估计流体沿第三维度的温度和速度，以确定流体的三维温度分布和经过装置的室或管道的流体流的三维速度分布。

计算机装置15还可构造成生成可送至显示装置或打印机的数据，以用于生成显示51，其示出流体流的温度分布和速度分布。此类生成的显示51的一个示例在图5中可见。显示的温度分布和速度分布可包括第一速度标记53，其在室或管道内的不同位置处以至少二维(例如，水平和竖直方向、深度和宽度方向、高度和长度方向、纵向和横向方向等)标识流体的确定的矢量速度。例如，速度标记可包括标识流体的速度的分布的箭头。箭头可沿不同的方向指向，以标识可存在于流体流内的涡流，或标识流体流的其他不一致，以指示流体的不均匀的流体流分布。显示51还可包括不同着色区段55和57，以指示流体流内的较高和较低的局部温度。例如，较浅着色区段55可标识相比于较深着色区段57具有较高温度的流体流内的区域。在其他实施例中，显示的着色区段可范围从蓝色到红色，且包括其他着色区段(诸如绿色和黄色区段)，以指示确定成具有不同温度的流体流内的区域。不同的颜色可各自对应于限定在检索表内的温度，以指示由此颜色指示的温度范围(例如，红色指示350℃-400℃的范围，橘色指示325℃-350℃的范围，黄色指示300℃-325℃的范围，绿色指示275℃-300℃的范围，蓝色指示250℃-275℃的范围，且紫色指示225℃-250℃的范围)。

基于来自传感器的数据而确定存在的流体流的温度分布和速度分布可用于识别问题，其可需要维护或其他动作来纠正那些问题或防止那些问题比预期更快地损坏或磨损装置的构件，以延长装置的寿命。例如，经过HRSG 11的流体流的温度分布和速度分布可用于优化流体流速度，以减少HRSG 11的换热器上的盐沉积。速度分布还可用于识别阻塞空气通道的换热器上的盐沉积，使得可计划清洁服务以用于清洁该盐沉积来纠正该问题。流体流的温度分布还可用于确定补燃焚烧器(duct burner)处的热点，其可在HRSG的换热器的管上引起热应力。流体流的温度分布可用于识别此类热点，使得可采取动作以使可由此类热点引起的热应力最小，且/或改变补燃焚烧器的操作以解决此类热点的形成。

作为另一示例，流体流的确定的速度分布和温度分布可探测可在HRSG 11或其他装置中存在的流体泄漏。然后可密封探测到的泄漏，以防止流体的进一步泄漏。

作为又一示例，当传感器13定位在锅炉、炉子、或其他燃烧设备5中时，温度分布和速度分布可用于探测由于焚烧器的未对准而在燃烧设备内局部地产生的热点。探测到的温度和速度分布可用于调节焚烧器的操作，以通过控制供给至各个焚烧器的燃料的量来调整各个焚烧器的操作，来避免此类热点发生。

流体的温度和速度分布还可用于控制工厂1或工厂的装置的操作。例如，温度分布和速度分布可用于控制燃气涡轮的排气温度，以控制燃气涡轮7的性能。声传感器13的使用可以以比温度探针以及压力和温度耙式测量装置(常规地用于从涡轮的排气获得流体流数据)低得多的成本来提供温度探测和流速度分布探测。作为另一示例，流体流的温度分布和流速度可用于测量供给到燃气涡轮(例如，到燃气涡轮中的进气口)中的空气质量流，其可用于评估燃气涡轮的性能且还用于控制燃气涡轮的操作。在一些实施例中，计算的空气质量流可由测量系统的实施例实时地测量以用于精确的性能计算，使得燃气涡轮的操作可更快速和有效地调节。

计算机装置15可构造成，通过由计算机装置15的处理器31运行储存在其存储器39中的程序38来确定流体流的温度分布和速度分布。在一些实施例中，程序38可为由ScilabEnterprises提供的Scilab，其包括用于基于从声信号(经过流体流且由传感器13接收)获得的数据来确定流体流的温度分布和速度分布的特定编码。在其他实施例中，程序38可由根据Matlab(由Math Works, Inc.提供)或Python(由Python Software Foundation提供)的代码来限定，该代码包括用于基于从声信号(经过流体流且由传感器13接收)获得的数据来确定流体流的温度分布和速度分布的特定编码。

程序38可具有限定指令的代码，该指令由处理器31运行以执行用于确定流体流的温度和速度分布的方法。该方法可包括估算由各个传感器接收的各个声信号的行进路径、以及还估算各个声信号的测得的行进时间和预期的行进时间之间的差异的步骤。预期的行进时间可基于流体流的温度和速度波动之间的理论相关性。时间依赖随机反演方法可用于估算各个声信号的测得的行进时间和预期的行进时间之间的差异。

估算各个声信号的测得的行进时间和预期的行进时间之间的差异，可基于流体流的温度和速度波动之间的理论相关性。此类估算可通过连续地计算以下而提供：(i)对于若干时刻，在各个时刻的流体速度的空间平均，(ii)在各个时刻的误差方差，以及(iii)使用连续时刻的信息的空间波动。在一种情况下，声信号的在发射器和接收器之间的测得的行进时间可用于确定在各个时刻的空间平均和误差方差。可需要在连续时刻上发射传感器与接收器传感器之间的测得的行进时间、以及时间和空间中温度和速度波动之间的理论相关性来确定空间波动。时间和空间中温度和速度波动之间的理论相关性可基于泰勒的局部冷冻湍流假设，其假定在任何给定的时刻，湍流可假定为冻结。例如，对于可用于研究湍流的任何变量ζ，如果其“冻结”，则总导数等于零，即dζ/dt = 0。

行进时间的变化可基于以下公式的使用：

其中t是时间；L是用于声信号的行进路径的长度，c₀(t)是声速的空间平均，T₀(t)是温度的空间平均，v₀(t)是流体的速度矢量的空间平均，ΔT是温度的局部波动，Δv是流体的速度矢量的局部波动，l是单位矢量，且R是装置中的流体经过的位置。该公式的使用可由对应于流体流经过的限定的通路的壁的位置界定。

从传感器接收到的声信号的行进时间的变化可由计算机装置15通过以下来确定：计算流体的速度空间平均，将速度空间平均的局部波动与确定的速度空间平均相比较，以及通过从速度空间平均减去确定的局部波动来确定各个行进时间。流体流的二维速度空间平均可基于以下公式确定：

其中i是迭代步骤，t是时间，L是用于声信号的行进路径的长度，c₀是声速的空间平均，U₀是在沿限定的x轴的方向上的流体的平均速度分量，V₀是在沿限定的y轴的方向上的流体的平均速度分量，且φ是声音传播相对于限定的x轴的角度。该公式的使用可由对应于流体流经过的限定的通路的壁的位置界定。

二维速度空间平均的局部波动的确定可基于以下公式：

其中：t是时间，L是用于声信号的行进路径的长度，c₀是声速的空间平均，T₀是温度的空间平均，ΔT是温度的局部波动，ΔU是沿限定的x轴的流体速度的波动，ΔV是沿限定的y轴的流体速度的波动；φ是声音传播相对于限定的x轴的角度，且R是装置中的流体经过的位置。该公式的使用可由对应于流体流经过的限定的通路的壁的位置界定。

在一些实施例中，测量系统可构造成确定以三维的流体的速度分布和温度分布。对于此类分析，第三维度分量可并入到计算中，来确定速度空间平均、二维速度空间平均的局部波动、以及行进时间的变化，以估算该第三维度。对于此类实施例，第三维度分量可限定成关于横向于限定的x轴且还横向于限定的y的限定的z轴(例如，限定的z轴垂直于x轴且也垂直于y轴)来估算。

工厂、测量系统、以及制作和使用其的方法的不同实施例可具有不同的构造，以满足不同组的设计标准。例如，各个传感器13可包括接收器单元和发送器单元，其收纳在单独的壳体内且定位在彼此附近，或各个传感器13可包括同一壳体内的至少一个收发器单元。作为另一示例，工厂的大小和工厂的类型可为任何大小或类型，以满足特定组的设计标准。作为另一示例，计算机装置15可构造为台式计算机、个人计算机、工作站、控制器、服务器计算机装置、或其他类型的计算机装置。作为又一示例，由测量系统测量的流体可为气体、液体、与固体微粒(例如，飞灰)混合的气体、或气体和液体的组合。

尽管参照各种示例性实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解的是，可进行各种改变，且等同物可替代其元件，而不脱离本发明的范围。此外，可进行许多改型以使特定情况或材料适应本发明的教导，而不脱离其基本范围。因此，其意在本发明不限于公开为构想用于执行本发明的最佳模式的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。