CN103195583B - 一种采用排气温度分散度监测保护燃气轮机燃烧的方法 - Google Patents
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Abstract
一种采用排气温度分散度监测保护燃气轮机燃烧的方法，涉及燃气轮机服役后防止其在运行过程中燃烧不稳定损伤的保护方法。该方法是在燃气轮机的透平排气端安装多个测温热电偶，对测温热电偶采集信号采用多维空间余弦定理得到排气温度分散度，从而间接的预测燃烧室燃烧的稳定性；根据排气温度分散度建立燃气轮机燃烧监测保护的报警逻辑和报警退出逻辑；建立燃气轮机燃烧监测保护的危险跳闸逻辑。本发明相对传统方法，设计简单，易于扩展，不会因为测温热电偶数目的变化而额外的增加工作量，计算也简单方便，实时性高，同时该算法抗干扰能力强，能够有效的降低噪声和燃气轮机工况变化对监测保护有效性的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机服役后防止其在运行过程中燃烧不稳定的保护方法，尤其涉及透平排气分散度的设计和防止燃烧不稳定的信号处理方法，属于燃气轮机燃烧稳定性实时监测技术领域。
背景技术
随着现代燃气轮机技术的发展和效率提高的需求，重型燃气轮机的透平前温度越来越高，以GE公司的重型燃气轮机为例，目前E/F级重型燃气轮机的透平前温度就高达1300℃，下一代G/H级重型燃气轮机的透平前温度更是高达1450℃。在如此高的温度下，重型燃气轮机热端部件如燃烧室或过渡段等部件长期运行也难免出现一些破裂和损坏等故障。而过高的温度环境也使得几乎没有工业传感器可以长期可靠的工作。对这些高温部件缺乏直接测量的情况下，监测这些高温部件的健康状态成了燃气轮机设计过程中一个不得不考虑的问题。
目前工业上较为常用的方法就是通过测量透平排气温度来间接的监测高温热端部件的健康状态。因为高温部件的一个重要特征是：当燃烧不稳定、燃烧室破裂、燃烧温度不均匀或过渡段破裂时，都会引起透平的进口流场和排气温度流畅的严重不均匀。传统的方法就是在透平排气通道中尽可能多地布置测温热电偶，然后检测这些热电偶所测温度都相同，但在实际工业中，由于干扰和噪声的存在，即使重型燃气轮机处于稳定正常运行状态下，这些热电偶所测温度也不可能绝对相同。此外，因为燃气轮机在不同的工况运行时，透平前温和排气温度都是不同的。当机组并网发电时，若所带负荷较多发电量大时，重型燃气轮机需要的燃料量多，透平前温也必然高些。相反，若机组所带负荷较少时，则透平前温低，排气温度也低。而排气温度的不同也影响到分散度的不同，但排气温度高，其相应的热电偶所测量到的偏差也大；相反，排气温度低，则这些均匀的热电偶在不同地点所测量到的排气温度的偏差值也就较少。因此如何利用排气温度构造适当的指标，准确反映高温部件状态是燃烧监控保护的难点。
而且，重型燃气轮机的排气端测温热电偶一般都在几十个，对每一个测温热电偶设置阈值并进行监测，不利于修改和维护，给用户和工程师都带来了较大的设计负担和使用不便。虽然目前的智能算法如神经网络、机器学习等已经有了很大的发展，但这些智能算法一般运算复杂，需要高性能的芯片作为载体，难以得到低成本、高效率的实时性计算。因此燃气轮机的燃烧监测保护算法需要一种简便而准确度又高的算法。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统燃气轮机燃烧监测保护方法过于复杂的问题，通过利用基于余弦定理的数据驱动方法，实现由一个利用偏差角度来表征分散度的方法，从而提高燃气轮机燃烧监测保护系统的实时性和准确度。
为了实现上述的目的，本发明的技术方案如下：
一种燃气轮机燃烧监测保护方法，包括以下步骤：
A1)、在燃气轮机透平排气端的同一排气截面上均匀安装N个测温热电偶，测量透平的排气温度Ti，其中：N为测温热电偶的安装数目，下标i为1，2，…，N；Ti为第i个测温热电偶测量到的温度；
B1)、首先计算排气温度分散度S总：
其中，排气温度分散度S总用无故障状态下的设定排气温度向量T设和实际测量排气温度向量T测之间的夹角θ来间接表示，当夹角θ趋向于0，排气温度分散度S总＝cos(θ)趋向于1，则表示燃烧稳定性越好，T设表示燃气轮机无故障状态下的排气温度向量，该向量的维数为1×N；T测表示实际测量的排气温度向量，为[T1T2…TN]，<T设，T测>表示向量T设和向量T测的内积，||·||2表示向量的2范数；
C1)、设置警告和警告退出机制：由于排气温度分散度S总与夹角θ成反比，因此当前无警告状态下，如果排气温度分散度S总输出值大于警告阈值时，则表示正常；如果排气温度分散度S总输出值小于等于警告阈值时，则表示警告；如果警告已经发生，则排气温度分散度S总输出值必须大于警告解除阈值才能消除警告；
D1)、设置危险跳闸逻辑：一旦检测到排气温度分散度S总小于等于危险阈值，则发出危险信号，并启动燃气轮机停车逻辑。
上述技术方案中，对于步骤A1)中测温热电偶测量到的排气温度所采用的单位应该一致。对于步骤C1)，警告解除阈值的设置应低于警告阈值，以防止噪声的干扰，导致排气温度分散度S总在阈值附近来回摆动，造成短时间内频繁的触发和解除警告，影响用户使用。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：①通过采用当前实际测量排气温度向量T测与设定排气温度向量T设在多维空间中的余弦角度θ来间接的表示燃烧稳定性，降低了噪声和燃气轮机工况对燃烧监测保护算法精度的干扰。因为排气温度和燃气轮机工况的变化会对各个排气温度测量热电偶的幅值产生影响，但它在幅值上的干扰对余弦角度的影响非常少。②对多路排气信号进行一次性集中处理，无需像传统方法对各个温度通道进行逐个比较确认，不仅仅计算简便，阈值设置的数目也从原来的N个降为1个；③报警的触发和解除采用双阈值，触发阈值时为0.9962，即cos(5°)，解除阈值为0.9986，即cos(3°)，这样就可以防止了测量信号在噪声干扰下，导致计算的余弦夹角反复在阈值附近进行摆动，导致燃气轮机的报警信号频繁触发和解除。④在危险信号采用锁存措施，这样保证危险信号一旦触发，燃气轮机必须停车接受工程师的检查后，再手动的切换到正常状态。防止危险信号由于后续温度信号的短暂恢复而又被软件自动消除，减少燃气轮机危险事故发生。
附图说明
图1采用排气温度分散度监测保护燃气轮机燃烧方法的设计流程框架。
图2二维空间下的余弦夹角。
图3三维空间下的余弦夹角。
图4某型号燃气轮机不同时刻下测温热电偶的测量值。
图5某型号燃气轮机的无故障下的排气温度分散度S总值。
图6某型号燃气轮机在不同故障下的排气温度分散度S总值。
图7某型号燃气轮机在不同故障下的排气温度分散度S总均值。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明
图1为采用排气温度分散度监测保护燃气轮机燃烧方法的设计流程框架，其具体实施方法包括以下步骤：
A1)、在燃气轮机透平排气端的同一排气截面上均匀安装N个测温热电偶，测量透平的排气温度Ti，其中：N为测温热电偶的安装数目，下标i为1，2，…，N；Ti为第i个测温热电偶测量到的温度；测温热电偶的安装应该在同一个圆环上，并呈均匀分布；
B1)、根据测温热电偶的值实时计算排气温度分散度S总：
其中，排气温度分散度S总用无故障状态下的设定排气温度向量T设和实际测量排气温度向量T测之间的夹角θ来间接表示，当夹角θ趋向于0，排气温度分散度S总＝cos(θ)趋向于1，则表示燃烧稳定性越好，T设表示燃气轮机无故障状态下的设定排气温度向量，该向量的维数为1×N，T测表示实际测到的排气温度向量，为[T1T2…TN]，<T设，T测>表示设定排气温度向量T设和实际测量排气温度向量T测的内积，||·||2表示向量的2范数，排气温度分散度S总的物理意义就是表示实际测量排气温度的均匀分布程度与设定排气温度的均匀分布程度的差异性，因为S总＝cos(θ)，所以排气温度分散度S总的取值范围为0～1，并且值越大越接近1，则夹角θ越小，实际测量排气温度的均匀分布程度与设定排气温度的均匀分布程度的差异性就越小，以N为2为例，如图2所示，在燃烧稳定的正常情况下，设定排气温度向量T设在由T1和T2张成二维空间中的方向，而任一时刻测量值组成的实际测量排气温度向量T测在该二维空间也会有一个方向，如果燃烧稳定，实际测量排气温度向量T测和设定排气温度向量T设的方向近似相同，它们之间的夹角则应约等于0，如果夹角扩大，则表示排气温度分布不均匀，同理，如果N等于3，则如图3所示，则可以通过三维空间中实际测量排气温度向量T测和设定排气温度向量T设的夹角θ来表示排气温度分散度，N大于3，则只需根据上述排气温度分散度S总公式计算多维空间中实际测量排气温度向量T测和设定排气温度T设夹角θ的余弦即可；
C)、设置警告和警告退出机制：设定警告阈值为0.9962，即cos(5°)，警告解除阈值为0.9986，即cos(3°)，则当前无警告状态下，如果排气温度分散度S总大于警告阈值0.9962时，则表示正常，如果S总小于等于警告阈值0.9962时，则触发警告；如果警告已经发生，则S总大于警告阈值0.9962时不会解除警告；S总输出值必须高于警告解除阈值0.9986才能解除警告；
D1)、设置危险跳闸逻辑：危险阈值取0.9848，即cos(10°)，一旦检测到排气温度分散度S总小于等于危险阈值0.9848，则发出危险信号并进行锁存，然后启动燃气轮机停车逻辑。
对于服役后某型号燃气轮机燃烧监测保护进行试验验证如下。
实施例一：
某型燃气轮机的运行历史记录为，某次运行周期为4380小时，平均约1秒记录数据一次。选取历史数据中某一时间段的数据进行燃烧监测保护实验。该燃气轮机的透平排气端均匀的安装了21个测温热电偶，单位为F。图4给出了燃气轮机在正常无故障情况下，测温热电偶在不同时刻(时刻1、时刻2和时刻3)所测排气温度，从图中可以看出，测温热电偶受噪声和燃气轮机运行工况的干扰，不仅在不同时刻，同一测温热电偶所测温度幅值不同，而且在同一时刻，不同测温热电偶受布置位置的影响，所测温度幅值也不相同。取历史数据中的一段24秒的数据，根据本发明中的排气温度分散度公式，对该24秒内不同时刻的排气温度分散度S总进行计算，以第1秒的排气温度分散度S总的计算为例，设定排气温度向量T设取理想的均匀分布状态下的排气温度分散度向量[111…1]，该向量的维数为1×21，而在第1秒，21个测温热电偶的实际测量排气温度向量T测的取值为[1111.6810 1062.9088 1057.324341103.272 1089.4490 1044.8473 1106.24878 1108.0099 1052.5504 1107.4949 1118.454591103.64733 1054.710449 1101.711426 1105.073975 1079.78076 1084.20845 1113.757081090.6069 1113.6009 1113.6009]，则可计算<T设，T测>为22922.939332，||T设||2为4.5826，||T测||2为5003.3103，因此第1秒的排气温度分散度S总可得为0.9998。整个21秒的排气温度分散度S总的计算结果如图5所示，从图中可以看出，在正常无故障情况下，排气温度分散度S总受噪声和燃气轮机工况的干扰非常小，整个变化率低于0.02％。设定警告阈值为0.9962，即cos(5°)，警告解除阈值为0.9986，即cos(3°)，设定危险阈值取0.9848，即cos(10°)，通过仿真模拟燃气轮机在不同时刻发生三类不同故障：故障1为一个测温热电偶温漂故障，故障幅值较低，发生在16～18秒；故障2为两个测温热电偶温漂故障，故障幅值较低，发生在19～21秒；故障3为一个测温热电偶温漂故障，故障幅值较高，发生在22～24秒。图6给出了燃气轮机发生这些故障时排气温度分散度S总的变化值，从图中看出可以看出，在前15秒无故障时，排气温度分散度S总的变化较小，其值约等于1，在16秒出现故障后，排气温度分散度S总有明显的向下跳变趋势。为了进一步确认故障是报警还是危险，图7给出了三种故障下，排气温度分散度S总的具体均值，根据本发明设定的报警和危险逻辑及其相关阈值，从图中可以看出，故障1和故障2的排气温度分散度S总分别为0.9956和0.9915，明显低于警告阈值0.9962，但也高于危险阈值0.9848，因此触发警告信号，而故障3的排气温度分散度S总为0.9689低于危险阈值0.9848，因此给出危险信号，启动燃气轮机停机逻辑。
Claims (4)
1.一种采用排气温度分散度监测保护燃气轮机燃烧的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
A1)、在燃气轮机透平排气端的同一排气截面上均匀安装N个测温热电偶，测量透平的排气温度Ti，其中：N为测温热电偶的安装数目，下标i为1，2，…，N；Ti为第i个测温热电偶测量到的温度；
B1)、首先计算排气温度分散度S总：
其中，排气温度分散度S总用无故障状态下的设定排气温度向量T设和实际测量排气温度向量T测之间的夹角θ来间接表示，当夹角θ趋向于0，排气温度分散度S总＝cos(θ)趋向于1，则表示燃烧稳定性越好，T设表示燃气轮机无故障状态下的排气温度向量，该向量的维数为1×N；T测表示实际测量的排气温度向量，为[T1 T2 … TN]，＜T设，T测＞表示向量T设和向量T测的内积，||·||2表示向量的2范数；
C1)、设置警告和警告退出机制：由于排气温度分散度S总与夹角θ成反比，因此当前无警告状态下，如果排气温度分散度S总输出值大于警告阈值时，则表示正常；如果排气温度分散度S总输出值小于等于警告阈值时，则表示警告；如果警告已经发生，则排气温度分散度S总输出值必须大于警告解除阈值才能消除警告；
D1)、设置危险跳闸逻辑：一旦检测到排气温度分散度S总小于等于危险阈值，则发出危险信号，并启动燃气轮机停车逻辑。
2.如权利要求1所述的一种采用排气温度分散度监测保护燃气轮机燃烧的方法，其特征在于：对于步骤B1)中T设向量的取值，取理想的均匀分布状态下的排气温度分散度向量[1 11 … 1]，或取无故障下，某一时刻燃气轮机排气温度实际测量值作为排气温度分散度向量。
3.如权利要求1或2所述的一种采用排气温度分散度监测保护燃气轮机燃烧的方法，其特征在于：对于步骤C1)中，警告阈值取0.9962，即cos(5°)，当排气温度分散度S总在某一时刻低于该警告阈值时，触发警告；警告解除阈值为0.9986，即cos(3°)当排气温度分散度S总在某一时刻高于该解除警告阈值时，解除警告。
4.如权利要求1所述的一种采用排气温度分散度监测保护燃气轮机燃烧的方法，其特征在于：则对于步骤D1)中，危险阈值取0.9848，即cos(10°)，在危险跳闸逻辑机制上，一旦危险信号被触发，则该信号被锁存，即使排气温度分散度S总再高于危险阈值，燃气轮机燃烧监测机制仍然保持危险状态并持续进行停机相关操作。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Method for monitoring and protecting combustion of gas turbine by adopting air exhaust temperature dispersity Effective date of registration: 20161104 Granted publication date: 20150617 Pledgee: Tsinghua Holdings Co., Ltd. Pledgor: Beijing Huatsing Gas Turbine & IGCC Technology Co., Ltd. Registration number: 2016990000853 |
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| PLDC | Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model | ||
| PP01 | Preservation of patent right |
Effective date of registration: 20190820 Granted publication date: 20150617 |
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| PP01 | Preservation of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20191211 Granted publication date: 20150617 Pledgee: Tsinghua Holdings Co., Ltd. Pledgor: Beijing Huatsing Gas Turbine & IGCC Technology Co., Ltd. Registration number: 2016990000853 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PD01 | Discharge of preservation of patent |
Date of cancellation: 20191230 Granted publication date: 20150617 |
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| PD01 | Discharge of preservation of patent | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20200117 Address after: 102209 Beijing Changping District in the future of the national electric investment group Park in the future science city south of Beijing Patentee after: China United heavy-duty gas turbine technology Co., Ltd. Address before: 100084 No. 8, building 1, No. 1001, Zhongguancun East Road, Beijing, Haidian District Patentee before: Beijing Huatsing Gas Turbine & IGCC Technology Co., Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |