DE19628960B4

DE19628960B4 - Temperaturmeßvorrichtung

Info

Publication number: DE19628960B4
Application number: DE19628960A
Authority: DE
Inventors: Ken-Yves Haffner; Matthias Dr. Höbel
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1996-07-18
Filing date: 1996-07-18
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2016-07-19
Also published as: DE59712810D1; DE19628960A1; JP4112043B2; EP0819889B1; JPH1082701A; US6142665A; EP0819889A1

Abstract

Temperaturmessvorrichtung für die Flammentemperaturmessung in einer Gasturbinenbrennkammer, wobei die Temperaturmessvorrichtung eine Anzahl optischer Messsensoren (7) umfasst dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl optischer Messsensoren (7) unmittelbar stromaufwärts einer Flammenfront (8) in einer Vormischzone (3) eines Brenners (1) angeordnet ist, und dabei jeder optische Messsensor (7) im wesentlichen parallel und/oder koaxial zu einer in die Gasturbinenbrennkammer geführten Brennstoffströmung (5) ausgerichtet ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik. Sie betrifft eine Vorrichtung zur Flammentemperaturmessung, wie sie im Oberbegriff des ersten Anspruchs beschrieben ist.
STAND DER TECHNIK
Seit Beginn der Forschung auf dem Gebiet der Verbrennungstechnik, kommt der Bestimmung der Flammentemperatur ein hoher Stellenwert zu. Die Flammentemperatur ist bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe ein Schlüsselparameter, da sie direkt mit der chemischen Reaktionskinetik und der Bildung von Schadstoffen, wie beispielsweise NO_x korreliert. Darüber hinaus ist die Kenntnis der Energiefreisetzung während des Verbrennungsprozesses unentbehrlich für die Auslegung von Brennkammern und die Bestimmung von mechanischen und thermischen Beanspruchungen aller beteiligten Komponenten.
Derzeit existiert eine Vielzahl von Techniken für die Messung von Flammentemperaturen. Dabei stellen die extremen Einsatzbedingungen allerdings eine grosse Herausforderung an die Temperatursensoren dar, so dass nicht ohne weiteres jeder unter sauberen Laborbedingungen erprobte Temperatursensor Anwendung in einer Industriebrennkammer finden kann.
Grob können die heute gängigen Temperaturmesstechniken in zwei Kategorien eingeteilt werden; bei den einen gelangen nichtoptische Temperatursensoren zum Einsatz und bei den anderen optische.
Zu den nichtoptischen Temperaturmessvorrichtungen zählen die Punktsensoren, die beispielsweise Thermoelemente umfassen. Sie bieten eine einfache und preiswerte Möglichkeit der Temperaturbestimmung an diskreten Punkten, müssen allerdings in unmittelbarer Nähe zur Flamme installiert sein, und nehmen damit Einfluss auf die Flamme. Desweiteren sind Thermoelemente aufgrund ihrer Zerbrechlichkeit nur eingeschränkt in einer turbulenten Hochtemperaturumgebung einsetzbar, in welcher zusätzlich noch chemische Oberflächenreaktionen die Thermoelemente beeinträchtigen.
Insbesondere seit Bekanntwerden der Lasertechnologie wurden zahlreiche optische Temperaturmessvorrichtungen entwickelt. Hierunter fallen unter anderem Absorptions- und Fluoreszenstechniken, sowie verschiedene Messtechnik, die sich des Laserstreulichts bedienen. Den genannten optischen Messverfahren ist gemeinsam, dass sie eine Lichtquelle, einen Laser, benötigen. Sie sind damit aktiver Natur, nehmen aber im Gegensatz zu den Thermoelementen keinen Einfluss auf die Flamme. Diese Verfahren schliessen unter Berücksichtigung des emittierten Lichtes der Quelle und des Messvolumens auf die Temperatur einer Flamme. Eine bekannte optische, nicht aktive Temperaturmessung wird mittels Pyrometrie durchgeführt, wobei die von in der Flamme enthaltenen Russteilchen emittierte Schwarzkörperstrahlung ausgenützt wird. Problematisch ist allerdings die Anwendung pyrometrischer Temperaturmesssysteme an Flammen aus gasförmigen Brennstoffen. Aufgrund des sehr geringen Russgehalts ist hier das optische Signal sehr schwach. Bei der Signalanalyse kommt erschwerend hinzu, dass das temperatur- und wellenlängenabhängige Emissionsvermögen der strahlenden Russteilchen nur ungefähr bekannt ist, was in Verbindung mit unerwünschten Absorptionseffekten auf dem Weg zum Detektor die Genauigkeit der Methode beeinträchtigt.
Die Installation aller bekannten, optischen Temperaturmessvorrichtungen erfolgt in möglichst geringem Abstand zu einer Flamme. Hierfür sind die Messsensoren entweder rechtwinklig zur Strömungsrichtung des Brennstoffgemischs neben der Flammenfront in der Brennkammer angeordnet, oder sie befinden sich abströmseitig des Brenners in einer Frontplatte; wobei die Messsensoren schräg zur Flammenfront hin ausgerichtet sind.
Besonders nachteilig bei einer derartigen Installation ist, dass die Flamme aufgrund thermoakustischer Schwingungen in der Brennkammer nicht an einem Fixpunkt brennt, sondern in einem Brennkammerbereich fluktuiert. Dies hat zur Folge, dass die Temperaturbestimmung mit der beschriebenen Messinstallation fehlerbehaftet ist, da eine einzelne Flammenebene nicht kontinuierlich erfasst werden kann.
Eine weitere Gattung optischer Sensoren dient der Überwachung der Flamme in bestimmten Hochtemperaturreaktoren, beispielsweise solchen zur Partialoxidation staubförmiger Brennstoffe, dergestalt, dass bei einem Ausfall der Flamme oder einem Abwandern derselben aus einem vorbestimmten Bereich ein Notabschaltsignal generiert wird.

DE 4025852 A1 offenbart einen derartigen optischen Flammensensor in Form eines Lichtfaserbündels, welcher innerhalb des Brenners angeordnet ist und daselbst funktional mit der Zündeinrichtung des Brenners verknüpft ist.

Nach einem alternativen Vorschlag desselben Anmelders gemäss DD 299920 A7 ist das Lichtfaserbündel zur optischen Überwachung der Flamme innerhalb eines in den Reaktionsraum mündenden Kanals zur Zuführung eines gasförmigen Mediums angeordnet, das mit einer ebenen Stirnseite dem Reaktionsraum zugewandt ist und auf der vom Reaktionsraum abgewandten Seite in Teilbündel aufgeteilt ist, deren einzelne Fasern gleichmässig über die Stirnseite verteilt sind. Auf diese Weise sollen flächige Unterschiede im Strahlungseinfall auf die Stirnseite ausgeglichen werden.

EP 0593413 A1 beschreibt eine optische Messeinrichtung zur Untersuchung von Verbrennungsvorgängen in Verbrennungsmotoren, welche sich dadurch auszeichnet, dass die optischen Sensoren innerhalb eines den Brennraum begrenzenden Dichtelements angeordnet sind. Auf diese Weise sollen grössere Eingriffe in die Brennraumgeometrie vermieden werden.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Temperatmessvorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass unbeeinflusst von Brennkammerpulsationen eine genaue Temperaturmessung durchgeführt werden kann, wobei der Messsensor eine schnelle Messung erlauben soll, ohne die Flamme zu beeinträchtigen, und zudem der Messsensor preiswert und robust ist.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst.

Der Kern der Erfindung ist darin zu sehen, dass die unmittelbar stromaufwärts im Brennstoffstrom angeordneten optischen Messsensoren, welche im wesentlichen parallel und/oder koaxial zum Brennstoffstrom ausgerichtet sind, die gesamte Flammenfront in Strömungsrichtung erfassen. Dabei nehmen die optischen Messsensoren keinen Einfluss auf die Flamme und gleichzeitig bleibt die optische Temperaturmessung unbeeinträchtigt von lokalen Fluktuationen der Flamme aufgrund der in einer Gasturbinenbrennkammer auftretenden thermoakustischen Druckschwingungen.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass während des Gasturbinenbetriebes eine exakte von Brennkammerpulsation unabhängige optische Flammentemperaturmessung erfolgen kann, da bei entsprechend gross gewählter Apertur des optischen Sensors trotz der in Strömungsrichtung fluktuierenden Flamme immer die gesamte Flammenfront erfasst wird.

Es ist besonders zweckmässig, wenn ein optischer Messsensor innerhalb der Vormischzone eines Brenners koaxial in der Brennstoffströmung angeordnet ist und eine Anzahl weiterer optischer Messsensoren parallel zur Brennstoffströmung in der Brennerwand angeordnet sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigen:
1 einen Längsschnitt durch einen Brenner mit angrenzender Brennkammer;
2 eine Schnittdarstellung des Brenners gemäss der Linie B-B in 1.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind beispielsweise die an die Messsensoren angeschlossene Auswerteeinheit zur Bestimmung der Flammentemperatur aus den erfassten optischen Signalen.
WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In 1 ist mit 1 ein kegelförmiger Brenner bezeichnet, wie er beispielsweise in einer Gasturbine Anwendung findet. Der Brenner 1 wird an einer Seite über eine Brennstoffleitung 4 mit Brennstoff und über eine Luftleitung 10 mit Verbrennungsluft versorgt. Brennstoff und Verbrennungsluft werden dem Brenner 1 in einer Strömungsrichtung 5 durch separate Leitungen 4 und 10 zugeführt, und in einer Vormischzone 3 werden anschliessend der Brennstoff und die Verbrennungsluft möglichst gleichmässig miteinander vermischt. Stromabwärts schliesst der Brenner 1 mit einer Frontplatte 9 ab. Die Frontplatte 19 ist Bestandteil eines Flammrohres 2, welches desweiteren von einer Brennkammerwand 6 begrenzt wird. In dem Flammrohr 2 brennt abströmseitig der Vormischzone 3 eine Flamme 8.
Zur optischen Temperaturmessung sind im Brenner 1 und in der an ihn angeschlossenen Brennstoffleitung 4 Messsensoren 7 angeordnet. Die Messsensoren 7 sind zum einen im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung 5 des Brennstoffs in der Vormischzone 3 installiert, oder befinden sich zum anderen im Zentrum der Brennstoffleitung 4. Die Messsensoren 7 sind alle zur Flammenfront 8 hin ausgerichtet. Die numerische Apertur des Messsensors 7 wird so gross gewählt, dass ein kegelförmiges Beobachtungsvolumen eröffnet wird, welches die für den Verbrennungsprozess relevanten Bereiche der Flammenfront 8 beinhaltet. Für die Temperaturbestimmung wird die Flammenfront 8 von ihrer Anströmseite her mit den Messsensoren 7 betrachtet. Fluktuiert die Flamme 8 aufgrund thermoakustischer Brennkammerpulsationen in einer zur Strömungsrichtung 5 senkrechten Ebene, so bleibt die optische Temperaturmessung davon weitgehend unbeeinflusst. Von den Messsensoren 7 wird nämlich trotz der genannten Fluktuationen immer die gesamte Flammenfront 8 erfasst oder entsprechend der Anordnung eines in der Vormischzone 3 installierten Messsensors 7 immer der gleiche Flammenausschnitt.
2 zeigt die Anordnung der Messsensoren 7 in einer Schnittdarstellung entlang der Linie B-B in 1. Zu erkennen ist hier, dass ein Messsensor 7 im Zentrum der Brennstoffleitung 4 angeordnet ist, während sechs weitere Messsensoren 7 radial beabstandet die Brennstoffleitung 4 umgeben. Jeder Messsensor 7 umfasst dabei eine Anzahl Glasfasern 11, von denen jede als Messaufnehmer fungiert. Die Anzahl der installierten Messsensoren 7 in einem Brenner 1 ist allerdings nicht von Belang. So ist es denkbar, lediglich einen Messsensor 7 im Zentrum der Brennstoffleitung 4 anzuordnen, wobei dieser Messsensor 7 mit einer Glasfaser 11 oder aus Redundanzzwecken mit mehreren Glasfasern 11 ausgestattet ist. Dementsprechend ist auch eine ausschliessliche Lösung mit den die Brennstoffleitung 4 umgebenden Messsensoren 7 denkbar. Die Anzahl der verwendeten Messsensoren 7 ist genauso wie die Anzahl der in ihnen angeordneten Glasfasern 11 dem Bedarf anzupassen.
Das massgebliche Installationskriterium für die Messsensoren 7 ist ihre Anordnung direkt stromaufwärts der Flammenfront 8. Nur in dieser Position ist eine optische Temperaturmessung weitgehend unabhängig von möglichen Flammenbewegungen durchführbar und gewährleistet somit eine grösstmögliche Stabilität der Sensorsignale.
Zur Auswertung der aufgenommenen Signale, sind die Messsensoren 7 beispielsweise mit einem geeigneten, hier nicht dargestellten Spektrometer verbunden. Mit bekannten Verfahren wird dann eine Spektralanalyse durchgeführt, die eine Zuordnung zwischen der Spektralanalyse und der Flammentemperatur erlaubt. Ebenso sind mittels der erfindungsgemässen Anordnung bekannte Absorptions- und Fluoreszenztechniken zur Bestimmung der Flammentemperatur anwendbar.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So ist es denkbar, die Messsensoren parallel zur Strömungsrichtung verschiebbar anzuordnen, um sie bei variierenden Lastpunkten des Brenners 1 der zugehörigen Flammenebene anzugleichen. Im gleichen Sinn ist auch eine Einstellvorrichtung des Neigungswinkels bezüglich der Brennerachse für die innerhalb der Vormischzone installierten Messsensoren 7 denkbar.

1: Brenner
2: Flammrohr
3: Vormischzone
4: Brennstoffleitung
5: Strömungsrichtung
6: Brennkammerwand
7: Messsensor
8: Flammenfront
9: Frontplatte
10: Luftleitung
11: Glasfaser

Claims

Temperaturmessvorrichtung für die Flammentemperaturmessung in einer Gasturbinenbrennkammer, wobei die Temperaturmessvorrichtung eine Anzahl optischer Messsensoren (7) umfasst dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl optischer Messsensoren (7) unmittelbar stromaufwärts einer Flammenfront (8) in einer Vormischzone (3) eines Brenners (1) angeordnet ist, und dabei jeder optische Messsensor (7) im wesentlichen parallel und/oder koaxial zu einer in die Gasturbinenbrennkammer geführten Brennstoffströmung (5) ausgerichtet ist.
Temperaturmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Messsensar (7) eine Anzahl Glasfasern (11) umfasst, die zu einem Bündel zusammengefasst sind.
Temperaturmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von optischen Messsensoren (7) in der die Vormischzone (3) begrenzenden Wand des Brenners (1) angeordnet ist.
Temperaturmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein optischer Messsensor (7) an der in die Vormischzone (3) hineinragenden Brennstoffleitung (4) angeordnet ist.