监视与控制燃烧过程的方法与设备技术

传感设备，包括多于一个具有选择激光频率的二极管激光器、与上述二极管激光器的输出光耦合的复用器而此复用器再光耦合投射侧光纤。复用的激光经此投射侧光纤传至与一可以是燃煤或燃气发电设备的燃烧室或锅炉的处理室有效结合的投射光学件。此投射光学件定向成将复用激光输出投射通过此处理室。此外，由此处理室有效定向的是一与该投射光学件光通信以接收投射通过此处理室的复用激光输出的捕集光学件。此捕集光学件光耦合一将此复用激光输出传给分用器的光纤。此分用器分用上述激光并将所选激光频率的光光耦合到一对此所选激光频率之一敏感的探测器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及监视与控制燃烧过程的方法与设备，具体涉及应用可调谐二极管激光吸收光谱法监控燃烧过程。
技术介绍
在美国，所产生的电功率中有很大百分比是来自燃烧发电设备。类似地，世界范围内的电力生产也多数依靠煤为初始能源。煤在可以预见的未来很可能仍将作为初始能源，只要是仍存在着因储存核能生产作业中的废料涉及到长期性的环境问题以及太阳能发电的低效率问题。此外，整个世界上煤的现有储量按当前的发电率至少足用200年。但是，现今存在着并将继续有着减小燃煤发电过程的排污和提高其总效率的强烈要求。传统上，发电厂与其他工业燃烧设备中，燃烧过程的效率与排污的水中是以例如非分散型红外(NDIR)光度测定法一类技术，通过对提取的气体试样进行测量而间接测定的。提取采样系统并不特别适用于闭环控制的燃烧过程，这是由于在气体提取与最终分析二者的时间之间存在着显著的延时，此外，提取过程一般会导致单一点上的测量结果，而此结果则可能或不可能代表高度变化与动态性的燃烧室内所测物质的实际浓度。基于激光的光学类传感器业已用来解决与提取测量技术有关的问题。基于激光的测量技术可以在现场实施，还能提供适于动态过程控制的高速反馈优点。用来测量燃烧气体成分、温度与其他燃烧参数的一种特别看好的技术是可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)。TDLAS通常用在近红外与中红外区工作的二极管激光器来实施。适用的激光器业已在电信工业的应用中广泛地研制成功，因而能迅即供TDLAS应用。以不同程度适用于传感与控制燃烧过程的TDLAS的各种技术业已开发成功。周知的技术为波长调制光谱法、调频光谱法与直接吸收光谱法。每种方法都是根据探测器在激光业已传递过燃烧室并在表征此过程或燃烧室中存在的气体的特殊波段被吸收后所接收到的激光光量与性质之间的预定关系。为此探测器所接收的吸收光谱用来测定所分析的各种气体量以及相关的燃烧参数如温度。例如，Von Drasek等的美国专利申请系列No.2002/00 317 37 A1提出了将可调谐二极管激光器用来监视和/或控制高温过程。VonDrasek此专利申请的特征在于用直接吸收光谱法测定众多的燃烧物质、温度与其他参数。Calabro的美国专利No.5813767提出了类似的系统用来监控燃烧室中进行的燃烧与产生的污染物。Calabro利用一种间接光谱技术，其中将所观察到的吸收特性曲线形状的多普勒谱线增宽用作温度分析基础。Teichert、Fembolz与Ebert将作为周知的试验室分析技术的TDLAS推展为可操作的现场技术方案，到用来传感满负荷的燃煤发电设备锅炉火球内某些燃烧参数。上述三位作者在他们的论文“Simultaneous in situ Measurement of CO、H2O and GasTemperature in a Full-Sized，Coal-Fired Power Plaut byNear-Infrared Diode Lasers，”(Applied Optics，42(12)2043，20 April2003)中，提出了对燃煤发电设备有效地实现直接吸收光谱法，同时讨论了由于这种燃煤过程的规模极大及其激烈的性质带来的某些技术问题。尤其是一些典型的燃煤发电设备具有直径达10-20米的燃烧室，这类设备燃烧粉碎的煤，使得由于高的粉尘负荷妨碍了激光透过而在同时又极端的耀眼，由于宽广波段上的吸收、颗粒所致散射或折射率波动引起的光束转向，导致通过这种处理室的光的总透过率急剧变动。还存在着来自燃烧中的煤粒的热背景辐射，这种辐射会干扰探测器信号。这类发电设备的外部环境也会给TDLAS传感或控制系统的实施带来问题。例如，任何电子的、光学的或其他的敏感光谱元器件，都必须远离强热或加以合适的屏蔽与冷却。尽管在上述条件下极难实施TDLAS系统，但TDLAS却是特别适合监视与控制燃煤过程。本专利技术便是用来解决一或多个上述实施TDLAS时的问题。
技术实现思路
本专利技术的一个方面是传感设备，它包括一或多个具有选定的激光频率的二极管激光器、与此二极管激光器的输出光耦合的复用器，而此复用器又与一投射侧光纤光耦合。复用的激光经投射侧光纤传至一与处理室有效关联的投射光学件，此处理室则可以是燃煤或燃气发电设备的燃烧室或锅炉。此投射光学件定向成通过处理室投射复用的激光输出。此外，由此处理室有效定向的是与上述投射光学件作光通信的捕集光学件，用来接收通过此处理室投射的复用激光输出。在此用到的“耦合”、“光耦合”或“与…作光通信”，定义为两配对部件的功能关系，这里的光可以从第一部件传至第二部件，通或不通过中间部件或自由空间。此捕集光学件光耦合到一将复用激光输出传至分用器的光纤。此分用器分用激光并将选择了激光频率的光光耦合至一探测器，使此探测器对所选激光频率之一敏感。或者，上述传感设备也可使各激光二极管在该复用器与探测器光耦合到该分用器的输出光纤之前与一不同的相对应的输入光纤耦合。上述投射侧光纤可以是单模光纤而捕集光纤可以是多模光纤。或者，上述传感设备还可包括一投射侧光路径选择装置，它与投射侧光纤耦合且对与处理室有效关联的多于一对的投射与捕集光学件的复用激光输出作路径选择。上述光路径选择装置可为光开关、分光器或其他当前通用的电信光路选择设备。或者，此传感设备还可包括数据处理系统，它接收探测器的输入并应用周知的激光光谱技术，根据探测器数据测定燃烧参数。此传感设备还可具有根据数据处理系统的输出改变燃烧参数的装置。例如此传感设备可以对燃烧输入例如气流、燃料流或催化剂或化学试剂添加物提供闭环控制，而这种控制依据数据处理系统确定的燃烧参数。响应此数据处理系统。上述传感设备可将一中阶梯光栅用于此复用器或分用器中。复用器或分用器的其他元器件还可包括光波导与准直/聚焦光学件。与准直/聚焦光学件耦合的反射式中阶梯光栅通常见有一纹槽间距和闪耀角，给多个范围的广为分开的波长提供同步分用。适用的中阶梯光栅通常能够复用或分用从等于或大于670nm的波长至等于或小于5200nm的波长。为了实现上述目标，此中阶梯光栅应在衍射级从第二级到至少第四级下工作。这样的中阶梯光栅通常具有纹槽间距约171.4线/mm而闪耀角约52.75°。或者，此传感设备可以具有光耦合到少于全部二极管激光器上的复用器，同时还包括与此复用器输出以及与任何未复用的二极管激光器的独立输出耦合的光耦合器。在这一非限制性的实施例中，上述光耦合器将通过选定长度的传输光纤与投射光学件光通信。例如，此传输光纤可以由长度≤3米的实现，并由Corning SMF 28光纤制成，这样将保证在波长小于1240nm特别是在760nm时，在通过此传输光纤传送时不会成为多模的。上述传感设备还可包括用机械方法操纵一段捕集侧光纤以使模噪声最小。用来由机械方式操纵一段捕集侧光纤的适当装置包括具有与捕集侧光纤的纵轴线平行的轴的马达，此马达接附到光纤上，提供围绕上述纵轴线的旋转作用。这种旋转运动可以包括以至少10Hz的速率作转过+360°与-360°的摆动，以有效地均化所发送的信号而由此减少捕集侧的模噪声。或者，此传感设备还可包括与捕集光学件关联的捕集侧校直机构，用以为捕集光学件相对于复用激光输出的投射方向提供校直，此准直机构可以加大捕集光学件从投射本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种传感设备，包括：一个以上的二极管激光器，各具有一选择的激光频率；光耦合到这一个以上的二极管激光器的复用器，此复用器输出复用的激光输出，此复用的激光输出光耦合－投射侧光纤的近端；光耦合到此捕集侧光纤远端的投射光学件 ，此投射光学件有效地与一处理室结合并定向成将该复用激光输出投射通过此处理室；有效地与此同投射光学件光通信的处理室结合的捕集光学件，接收投射通过此处理室的复用激光输出；在近端与此捕集光学件光耦合的捕集侧光纤；与此捕集侧 光纤的远端光耦合的分用器，此分用器分用各个选择激光频率的激光；以及与此分用器光耦合的探测器，此探测器对所选激光频率之一敏感。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德鲁D萨匹，詹姆斯豪厄尔，亨里克霍夫范德，BP马斯特森，
申请(专利权)人：佐勒技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]