[发明专利]结合有可转向可调谐二极管激光吸收光谱仪的炉内回反射器

说明书

技术领域

本公开内容涉及用于测量锅炉或炉的内部的燃烧特性的方法和设备，更具体地，涉及用于将炉内回反射器与可转向可调谐二极管激光吸收光谱仪相结合地用来测量锅炉或炉内的燃烧特性的方法和设备。

背景技术

美国专利第7,469,092号描述了用于使用可调谐二极管激光吸收光谱仪(TDLAS)来监视和控制处理的方法和设备。简言之，TDLAS方法和设备涉及将可以是许多不同波长的多路光束的光束定向到锅炉或炉燃烧室中以测量锅炉燃烧特性或炉燃烧特性例如温度和各种燃烧物质包括CO、CO₂、O₂和H₂O的浓度，各种燃烧物质包括CO、CO₂、O₂和H₂O。TDLAS监视技术是基于由检测器在光被传输通过关注区域并且被吸收之后所接收到的特定光谱带中的激光的数目和激光的性质之间的预定关系，该特定光谱带是由于燃烧而产生的气体物质的特征。由检测器接收到的吸收光谱可以用于根据分析以及关联的燃烧参数例如温度而确定气体物质的数目。

该技术需要通过锅炉或炉的视线。事实上，由于常常期望测量多个锅炉或炉位置处的燃烧特性，所以通常需要很多视线。典型地，多个波长的激光束从锅炉或炉的投掷光学器件发射到锅炉或炉的相对侧的抓接光学器件。某些应用需要高达十五个或更多个测量路径，因此需要十五个或更多个投掷/抓接光学器件对以及三十个或更多个炉穿孔。然而，使用十五对或更多对基本上相同的投掷/抓接光学器件以及需要三十个或更多个对应的炉穿孔承受了高成本，更不必说增大了系统的复杂性。在一些情况下，系统的安装可能由于排定的锅炉或炉的关闭的时间表而需要等待数年。

由于光学器件和对应的炉穿孔的成本和复杂性，在期望监视(并且可能还控制)炉内的大量燃烧区的情况下，传统系统的实用性是有限的。

本发明旨在克服上面讨论的一个或更多个问题。

发明内容

公开内容的第一方面是监视燃烧炉的内部的燃烧特性(包括但不限于温度和各种燃烧物质的浓度)的方法。该方法包括：在炉的壁中设置至少一个穿孔；在炉的内部设置至少两个回反射表面；投射光束使之通过处于炉的内部之外的包括准直透镜的光学器件，准直透镜光学地耦合到至少一个穿孔以将光束朝着至少两个回反射表面中的第一回反射表面投射到炉的内部；利用光学器件接收来自第一回反射表面的光束；基于所接收到的来自第一回反射表面的光束来测量燃烧特性；将光束通过光学器件转向到至少两个回反射表面中的第二回反射表面；利用光学器件接收来自第二回反射表面的光束；以及基于至少所接收到的来自第二回反射表面的光束来测量燃烧特性；如本文所使用的那样，回反射器被宽泛地定义为这样的光学装置：其将入射激光重定向为朝着其源返回而不管入射角如何，只要光束入射在回反射器的孔径上即可。

根据一些实施方式，光束被传播/投射从而通过多模光纤并且通过包括准直透镜的光学器件、从回反射表面中的一个回反射表面反射、由同一准直透镜接收并且在同一多模光纤中沿相反方向传播。

在一些实施方式中，至少一个穿孔包括以下穿孔中的一种：圆形穿孔；以及与合并在炉的壁中的由多个金属膜分隔的多个平行蒸汽管平行地伸长的穿孔。例如，燃煤发电厂的一些锅炉需要平行蒸汽管。对于无蒸汽管的炉而言，可以利用任何形状的穿孔(例如三角形、正方形、矩形、椭圆形、其它多边形等)，只要光束可通过该穿孔被有效地投射和/或接收即可。

根据一些实施方式，至少两个回反射表面中的每个回反射表面由选自于包括蓝宝石和石英的组的材料制成。在一种实施方式中，至少两个回反射表面中的每个回反射表面是以下中的一种：单个大回反射器；或较小回反射器元件的阵列。在一些实施方式中，至少两个回反射表面包括以下中的至少一种：角立方回反射光学器件；或猫眼回反射球。在一些实施方式中，第一回反射表面和第二回反射表面是包括分立回反射器的阵列的单个回反射表面的第一部分和第二部分，并且其中，从第一回反射表面到第二回反射表面的转向是从单个回反射表面的第一部分到单个回反射表面的第二部分的转向。

如本文所使用的那样，参照或提及一个或多个回反射器可以意指以下中的任一种：(a)位于可能被期望监视和/或控制燃烧过程的炉中的分立位置处的单个大回反射器(例如，“分立回反射器”)，(b)替代(a)中的单个大回反射器的较小分立回反射元件的阵列(即，“回反射器阵列”或“阵列回反射器”)。