CN101881221B - 用于检测燃气涡轮发动机回火的方法和系统 - Google Patents

用于检测燃气涡轮发动机回火的方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于检测燃气涡轮发动机回火的方法。具体而言，用于监测和控制燃气轮机(10)的方法包括：利用燃气轮机(10)的工作状态(40)来预测(86)燃烧器(14)中燃烧动态变化的频率，从传感器(36)接收(88)表示燃烧器(14)中燃烧动态变化的信号(38)，以及如果所接收到的信号的频率并不对应于所预测的频率，则检测(94)到回火。

Description

用于检测燃气涡轮发动机回火的方法和系统
技术领域
本发明主要涉及用于控制燃气涡轮发动机工作的方法，并且更具体地涉及一种利用燃烧动态变化(dynamics)来检测燃气轮机中火焰稳定或回火状态的方法。 
背景技术
燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧器，以及联接到压缩机上的涡轮。燃烧器可包括多个燃烧器管(can)。压缩空气和燃料输送至燃烧器管，以产生高速和高压的燃烧气体。这些燃烧气体排放至涡轮。涡轮从燃烧气体中获取能量，用于产生可以以多种方式使用的动力，举例来说，例如向压缩机提供动力，向发电机提供动力，或向飞行器提供动力。 
燃气涡轮发动机在不同的负载条件下工作，不同的负载条件需要变动的燃烧工作状态来使燃烧器满足所期望的性能。燃气轮机的燃烧器设计成用以将火焰稳定在所期望的位置上，以确保不间断的工作。然而，在燃料燃烧期间的有些状态下，燃烧器可能会经受火焰稳定或回火。回火是火焰在所设计的稳定位置的上游朝向燃料和空气喷射位置传播的现象。在火焰稳定期间，火焰稳定在上游，而不会从下游位置传播。在以下论述中，用语″回火″用来代表回火和火焰稳定两者，因为以下论述同等地适用于回火和火焰稳定两者。 
发生回火的条件由于温度、压力、燃料与空气之比的不同工作状态而变化，且取决于燃料的类型和成分而变化。回火可通过两种不同的物理机制发生，这两种不同的物理机制可宽泛地归类为预混回火和扩散回火。喷嘴及其构件的几何形状在使特定的喷嘴耐受回火 或抵抗回火中扮演了重要的角色。此外，公知的是，包括诸如氢气的高火焰速度燃料的燃料具有与回火相关的严重问题。回火可严重地破坏喷射器、旋流器和喷嘴。燃烧器的可操作性可能受损，且可造成非计划停机。在野外的燃气轮机通常没有良好地配备用以检测回火的发生。尽管喷嘴可具有器件用以控制由回火所造成的破坏，但还未证实有可靠的方法来检测即将发生的回火。 
因此，期望的是提供一种利用燃烧动态变化来检测在燃气涡轮发动机中即将发生的回火或火焰稳定事件的方法。 
发明内容
根据本文所公开的一个实施例，一种燃气轮机的监测和控制方法包括：利用燃气轮机的工作状态来预测燃烧器中燃烧动态变化的频率，从传感器接收表示燃烧器中的燃烧动态变化的信号，以及如果在正常工作期间所接收到的信号的频率并不对应于所预测的频率，则检测到回火。 
根据本文所公开的另一个实施例，一种燃气轮机的监测和控制系统包括：燃烧动态变化模拟和预测系统，其用于预测燃烧器中燃烧动态变化的频率；数据采集和分析系统，其用于从燃烧动态变化传感器接收信号和提供输出信号；回火检测系统，其用于如果来自于数据采集和分析系统的输出信号的频率并不对应于来自燃烧动态变化模拟和预测系统的预测频率则提供即将发生回火的指示；以及控制器，其用于如果提供了即将发生回火或实际回火的指示便控制燃气轮机。 
根据本文所公开的另一个实施例，一种燃气轮机监测和控制方法包括：利用燃气轮机的工作状态和燃气轮机建模工具来预测燃烧器中燃烧动态变化的频率和幅度，从传感器接收表示燃烧器中的燃烧动态变化的信号，如果所接收到的信号的频率并不对应于所预测的频率则检测到回火，以及如果检测到回火则控制燃气轮机。 
根据本文所公开的另一个实施例，一种燃气轮机监测和控制方法包括：实时地获得燃气轮机的工作状态，利用燃气轮机的工作状态和燃气轮机建模工具来预测燃烧器中燃烧动态变化的频率和幅度，从传感器接收表示燃烧器中的燃烧动态变化的信号，如果在正常工作状态期间所接收到的信号的频率并不对应于所预测的频率则检测到回火，以及如果检测到回火则控制燃气轮机。 
根据本文所公开的另一个实施例，一种燃气轮机的监测和控制系统包括：燃烧动态变化模拟和预测系统，其包括基于物理学的燃烧动态变化工具用于利用燃气轮机的工作状态和燃气轮机建模工具来预测燃烧器中燃烧动态变化的频率和幅度；用于从燃烧动态变化传感器接收信号和提供输出信号的数据采集和分析系统；回火检测系统，其用于如果来自于数据采集和分析系统的输出信号的频率并不对应于来自于燃烧动态变化模拟和预测系统的预测频率则提供即将发生回火的指示；以及控制器，其用于如果提供了即将发生回火或实际回火的指示则控制燃气轮机。 
附图说明
当参照附图阅读如下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更容易理解，所有附图中的相似标号表示相似的部分，在附图中： 
图1为燃气涡轮发动机系统的简图。 
图2为燃气轮机的燃烧器的简图。 
图3示出了根据本文所公开的方面的燃气轮机监测和控制系统的框图。 
图4示出了根据本文所公开的方面的数据采集和分析系统的框图。 
图5示出了根据本文所公开的方面的燃烧动态变化模拟和预测系统的框图。 
图6示出了由根据本文所公开的方面的回火检测系统所使用的算法的流程图。 
图7示出了根据本文所公开的方面的燃气轮机监测和控制方法的流程图。 
图8为示出在根据本文所公开的方面的燃气轮机工作状态下所获得的燃烧动态变化数据信号的图表。 零件清单10燃气涡轮发动机12压缩机14燃烧器16涡轮18燃烧室20燃气轮机监测和控制系统22数据采集和分析系统(DAAS)24燃烧动态变化模拟和预测系统(CDSPS)26回火检测系统(FDS)28压缩机30涡轮32燃料供送系统34燃烧器35燃烧器管36燃烧器传感器38信号40工作状态42来自DAAS的输出44来自CDSPS的输出46燃气轮机控制器 50抗混叠滤波器52带通滤波器54方框56快速傅里叶变换(FFT)分析器58方框60方框62基于物理学的燃烧动态变化预测工具64燃烧动态变化建模工具66方框68方框70方框72方框80燃气轮机监测和控制方法82方框84方框86方框88方框90方框92方框94方框96方框100图表100102信号104 X轴106 Y轴108 1000赫兹的频率 
具体实施方式
本文所公开的实施例包括用于利用燃烧动态变化来检测燃气涡轮发动机中即将发生的回火或火焰稳定事件的系统和方法。该系统和方法使用来自于燃气轮机的燃烧动态变化/不稳定性压力信号，且将压力信号的频率与燃烧模型所预测到的燃烧器正常模式相比较，该燃烧模型例如为利用基于物理学的燃烧动态变化分析而产生的模型。任何不匹配均识别和突出显示为对即将发生回火或火焰稳定事件的确认。尽管该系统和方法在文中是以工业应用所使用的重型燃气涡轮发动机为背景而描述的，但该系统和方法还适用于各种应用场合中所使用的其它燃烧发动机系统，例如但不限于飞行器、船舶、直升飞机和原动机应用。如本文所用，单数形式如″一″、″一个″和″该″，除非上下文另外清楚地指出，否则包括复数对象。 
图1示出了示例性燃气涡轮发动机10。燃气涡轮发动机10包括多级式轴流压缩机12，多管燃烧器14，以及多级式涡轮16。环境空气由压缩机12吸入，且压缩至更高的压力和温度。压缩空气然后供送至燃烧器14。在燃烧器14中，进入的压缩空气与燃料相混合，且将燃料空气混合物进行燃烧，以产生高压和高温的燃烧气体。这些燃烧气体排放至涡轮16。涡轮16从燃烧气体获取能量。从涡轮16所获取的能量可用于各种用途，例如发电、提供推力，或提供轴功率用于船舶或原动机应用。 
图2为燃气轮机的燃烧器14的简图。燃烧器14可为环型、管型或环管型燃烧器。燃烧器14可取决于预期应用而具有不同类型的喷嘴16。现代的低排放燃烧器通常使用预混器喷嘴，其中，燃料喷射到空气流中，并在到达燃烧室18之前进行混合。典型的燃烧器14将具有多个预混器喷嘴组，且在各组中具有不同数量的喷嘴。这是在各种负载条件下实现性能目标所必需的。各种喷嘴组的分类取决于它们的预期用途。 
燃烧动态变化/不稳定性是所有类型的燃烧器都面对的问 题。对于为了按照法规规定实现减少排放而研发出的预混燃烧系统而言，由于其设计而燃烧动态变化相对更为严重。燃烧动态变化是指来自于燃烧器内部火焰的不稳定的火焰热释放锁定在燃烧器的固有模式、构成反馈循环、在燃烧器中引起大幅度压力振荡的现象。这些振荡会限制燃烧器的工作范围(envelope)，且甚至会造成极大的硬件破坏。取决于不稳定燃烧是否激发纵向、径向或周向的燃烧器模式，燃烧动态变化的频率范围可从低至100Hz到数千Hz。有关燃烧动态变化的现有技术水平容许模拟、计算和预测这些频率、它们由火焰激发的倾向，以及通过基于物理学的分析所最终得到的压力脉动幅度。 
图3示出了燃气轮机监测和控制系统20的实施例的框图。系统20检测即将发生的回火，且在检测到回火之后控制燃气轮机。系统20包括数据采集和分析系统(DAAS)22、燃烧动态变化模拟和预测系统(CDSPS)24，以及回火检测系统(FDS)26。示出了燃气轮机的主要构件，如压缩机28、涡轮30、燃料供送系统32和可包括多个燃烧器管35的燃烧器34。尽管仅示出了两个燃烧器管35，但系统可具有任何数目的燃烧器管。供送燃料32可分离到各个喷嘴组中，且在不同负载条件下变化。在一个实施例中，各燃烧器管35均配备有用以测定燃烧动态变化的燃烧器传感器36。然而，可不必使每一个管35都具有传感器36。传感器36可有选择地仅提供在一些燃烧器管35上。 
传感器36生成表示燃烧动态变化的信号。传感器36可监测燃烧器管内的压力波动或火焰扰动。因此，传感器36可为压力传感器或火焰传感器，如用于测量火焰响应的光学传感器或化学传感器。来自传感器的信号38提供给DAAS。压缩机28、燃烧器管35和涡轮30的工作状态40也同时进行监测并提供给CDSPS 24。来自DAAS 22的输出42和来自CDSPS 24的输出44然后提供给回火检测系统(FDS)26来用于确定即将发生的回火或实际回火。回火检测系统(FDS)26向燃气轮机控制器46提供任何即将发生回火的指示。有关提供即将发生回火的指示的详细程序参照图6进行阐述。 
图4示出了数据采集和分析系统(DAAS)22的框图。多种信号处理技术可用于处理从燃烧器管所接收到的信号38，用以产生精确地表示燃烧器管的燃烧动态变化的输出。在一个实施例中，来自燃气轮机的燃烧动态变化信号38穿过抗混叠滤波器50，以确保对于高频分量的最小失真。信号然后穿过带通滤波器52进行处理，以便缩减信号的频率内容来产生处于所关心的频带内的数据。然后在方框54处根据尼奎斯特判据进行采样频率的确定，其中，尼奎斯特判据规定采样频率必须至少为所关心的最大频率的两倍。类似的是，采样窗口选为与所需的频率分解和能量泄漏相符。该信号然后供送给快速傅里叶变换(FFT)分析器56，该分析器56将时域信号转换成频域信号。在方框58处通过多个情形(例如64)来求平均频谱，以便获得不受系统中的瞬变现象影响的更为典型的信号内容。然后估算平均频谱，且在方框60处确定各种频带中的峰值频率及其幅度。该峰值频率和幅度数据形成提供给FDS的输出信号42。 
图5示出了CDSPS 24的框图。CDSPS包括基于物理学的燃烧动态变化预测工具62和各种燃烧动态变化建模工具64。这些燃烧动态变化建模工具基于现有技术水平的燃烧动态变化模型，且在本领域广为所知。燃烧动态变化模型包括燃气轮机几何形状模型、燃气轮机火焰声学模型、燃气轮机衰减模型、燃气轮机构件模型和燃气轮机的边界条件。来自于压缩机、燃烧器和涡轮的工作状态40数据进行实时地收集和提供给基于物理学的预测工具62。 
基于物理学的预测工具62接收工作状态40作为输入，且使用上述燃烧动态变化模型64来计算燃烧器管的各种声学模式、燃烧器管的不稳定性，以及相关的幅度。具体而言，基于物理学的预测工具利用燃烧动态变化建模工具和燃气轮机的工作状态来预测燃烧动态变化的频率和幅度。来自于基于物理学的预测工具的结果，即所预测的频率和幅度，实时地提供给FDS。 
图6示出了由FDS 26所使用的程序或算法的框图。FDS在 方框66处接收来自于DAAS的燃烧动态变化频率和幅度，以及来自于CDSPS的预测频率和幅度。在方框68处，FDS将来自于DAAS的燃烧动态变化频率与在DAAS和CDSPS两者的已知不确定性内所预测的燃烧动态变化频率相比较。在方框70处，确定所接收信号的频率是否对应于任一所预测的频率。如果燃烧动态变化频率对应于表示火焰存在于设计位置内的预测频率，则FDS排除作为正常工作的当前的燃烧动态变化数据，并对下一情形中所获得的数据进行分析。火焰位于设计位置的状态可理解为燃烧器管的正常工作状态。 
与预测频率不对应的燃烧动态变化频率表示异常工作状态，意味着火焰并未在设计位置，且该火焰位置表示即将发生回火或火焰稳定。因此，如果燃烧动态变化频率并不对应于表示火焰存在于其设计位置内的任何预测频率，则在方框72处FDS提供即将发生回火的指示。 
FDS 26将即将发生回火的指示提供给燃气轮机控制器46。控制器46可关闭燃气轮机来防止硬件受损。控制器46还可调整燃气轮机的工作状态来避免回火事件。 
图7示出了燃气轮机的监测和控制方法80。该方法始于方框82。在方框84处，实时地获得燃气轮机的工作状态。在方框86处，基于物理学的燃烧动态变化预测模型利用所获得的工作状态和各种燃烧动态变化建模工具来预测燃烧器中燃烧动态变化的频率和幅度。在方框88处，表示燃烧器中的燃烧动态变化的信号可从与燃烧器管相关的传感器上接收到。在方框90处，将所接收到的燃烧动态变化信号的频率和所预测的燃烧动态变化频率相比较。在方框92处，确定所接收信号的频率是否对应于任何所预测的频率。如果所接收信号的频率对应于任何所预测的频率，则确定为正常工作，且该方法转到方框82。如果所接收信号的频率并不对应于任何所预测的频率，则该方法转到方框94。在方框94处，提供即将发生回火的指示。此后，在方框96处对燃气轮机进行控制。燃气轮机可以停机，以防硬件受损。作为备选，燃气轮机的工作状态或燃料输送可进行调整，以避免 或消除回火事件。 
图8示出了从燃气轮机工作状态下进行的实验中所获得的燃烧动态变化数据信号102的示例性图表100。信号102以频域绘出。如前文所述，FFT分析器用于获得频域信号。X轴为频率104，而Y轴106为均方根(RMS)值106。信号的RMS值可利用来自于FFT分析所产生的系数来计算。实验研究显示，1000赫兹的频率108并不对应于CDSPS的预测频率。单独的频率值不能表示即将发生回火。所预测的频率可包括正常工作状态期间的频率范围。因此，信号102的频率与所预测的频率相比较，且与所预测的频率并不对应的任何特定频率(在此情况下为1000Hz)则表示异常工作状态。该异常工作状态归因于火焰并非处于设计位置，表示即将发生回火或可能的火焰稳定事件。相比于稳定在其期望位置上的火焰，从其设计位置移动或移位的火焰激发系统或其构件的不同固有模式。 
因此，上述燃气轮机的监测和控制系统和方法提供了一种方式来成功地确定即将发生的回火以及预先控制燃气轮机来防止任何破坏。检测即将发生的回火提供了用以调整燃气轮机的工作状态的机会，以便避免回火或在回火发生之前使燃气轮机停机。该系统和方法适用于使用燃料的燃气轮机，这些燃料例如但不限于天然气、氢气、一氧化碳和氮气的各种混合物，以及多种其它可燃燃料，如丙烷、乙烯、汽油、煤油、柴油燃料、喷气燃料、生物燃料、生物柴油、合成气和重油。 
应当理解的是，并非上文所述的所有这些目标和优点均可根据任一特定实施例来实现。因此，本领域的技术人员例如将认识到，本文所述的系统和技术可通过实现或优化如本文所教导的一个优点或优点组合的方式来实施或执行，而不必实现本文所教导或提出的其它目标或优点。 
尽管本文仅示出和描述了本发明的一些实施例，但本领域的技术人员可构想出一些修改和变化。因此，应当理解的是，所附权利要求意在涵盖落入本发明的真正精神内的所有这些修改和变化。 

Claims (22)

1.一种用于监测和控制燃气轮机的方法，包括：
实时地获得燃气轮机的工作状态；
利用所述燃气轮机的实时工作状态和燃气轮机建模工具来预测燃烧器中燃烧动态变化的频率和幅度；
从传感器接收表示所述燃烧器中的燃烧动态变化的信号；
如果在正常工作状态期间所接收信号的频率不对应于所预测的频率，则检测到回火；以及
如果检测到回火则控制所述燃气轮机。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获得所述燃气轮机的工作状态包括获得所述燃气轮机的压缩机、燃烧器和涡轮的工作状态。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃气轮机建模工具包括燃气轮机几何形状模型、燃气轮机火焰声学模型、燃气轮机衰减模型、燃气轮机构件模型、燃气轮机边界条件或它们的组合。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所预测的频率和幅度对应于所述燃烧器中的设计火焰位置，表示所述燃烧器的正常工作状态。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预测所述频率和幅度包括利用基于物理学的燃烧动态变化模型来预测所述频率和幅度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器包括动压传感器或火焰传感器。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接收所述信号包括：
对所接收的信号进行滤波；
将经滤波的所述信号转换成频域信号；以及
确定峰值频率和所述峰值频率的幅度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，检测到回火包括如果所述峰值频率不对应于所预测的频率则检测到回火。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制所述燃气轮机包括关闭所述燃气轮机。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制所述燃气轮机包括调整所述燃气轮机的工作参数以避免回火。
11.一种燃气轮机的监测和控制系统，包括：
用于预测燃烧器中燃烧动态变化的频率的燃烧动态变化模拟和预测系统，其中，所述燃烧动态变化模拟和预测系统实时地获得所述燃气轮机的工作状态；
用于从燃烧动态变化传感器接收信号和提供输出信号的数据采集和分析系统；
回火检测系统，其用于如果来自于所述数据采集和分析系统的输出信号的频率并不对应于来自所述燃烧动态变化模拟和预测系统的预测频率则提供即将发生回火的指示；以及
控制器，其用于如果提供了即将发生回火的指示则控制所述燃气轮机。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述燃烧动态变化模拟和预测系统包括基于物理学的燃烧动态变化工具，所述基于物理学的燃烧动态变化工具用于利用所述燃气轮机的工作状态和燃气轮机建模工具来预测所述频率。
13.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述燃气轮机的工作状态包括所述燃气轮机的压缩机、燃烧器和涡轮的工作状态。
14.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述燃气轮机建模工具包括燃气轮机几何形状模型、燃气轮机火焰声学模型、燃气轮机衰减模型、燃气轮机构件模型、燃气轮机边界条件或它们的组合。
15.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述燃烧动态变化模拟和预测系统还利用所述燃气轮机的工作状态和所述燃气轮机建模工具来预测燃烧动态变化的幅度。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所预测的频率和幅度对应于所述燃烧器中的设计火焰位置，表示所述燃烧器的正常工作状态。
17.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述数据采集和分析系统处理从所述燃烧动态变化传感器所接收到的信号以提供所述输出信号，其中，处理所接收到的信号包括对所接收到的信号进行滤波、将经滤波的所述信号转换成频域信号，以及确定峰值频率和所述峰值频率的幅度。
18.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，所述输出信号包括所述峰值频率。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，如果所述峰值频率并不对应于来自所述燃烧动态变化模拟和预测系统的预测频率则所述回火检测系统提供即将发生回火的指示。
20.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，如果提供了即将发生回火的指示则所述控制器关闭所述燃气轮机。
21.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，如果提供了即将发生回火的指示则所述控制器调整所述燃气轮机的工作参数。
22.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述传感器包括动压传感器或火焰传感器。
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