[发明专利]用于燃烧腔室内气体测量的方法和装置

说明书

技术领域

本申请总体上涉及气体测量，特别地涉及用于确定气体状况以及其在腔室中的位置的方法和装置。

背景技术

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。

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。

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。

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NO_x气体的形成。

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

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。

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。

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。

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。

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。

一个实施方式可以包括确定至少一个特性。

这里，后向散射激光的特性应当在广义上解释。具体地，激光的特性可以例如表示光谱特性，例如激光的能量和波长。激光的特性的其它示例可以是光的强度，或者探测到的后向散射光所包含的光子的量。

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。

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，NO_x气体的产生可以减少。