CN103998750B - 检测燃气轮机装置的燃烧室中故障的方法和燃气轮机装置 - Google Patents

Abstract

一种用于检测燃气轮机装置的燃烧室中的故障的方法，包括：提供动态压力信号，其每一个指示在所述装置的燃烧室的相应燃烧器的出口处的动态压力。计算所述动态压力信号的频谱，根据这些频谱来识别所述燃烧器的故障。根据在所述燃烧器和相应的动态压力信号之间的双射相关性来识别遭受故障的每个燃烧器。

Description

检测燃气轮机装置的燃烧室中故障的方法和燃气轮机装置

技术领域

本发明涉及一种用于检测燃气轮机装置的燃烧室中的故障的方法，以及一种燃气轮机装置。

背景技术

众所周知，目前的标准和分布网络的要求使得对于在污染排放方面具有非常低的环境影响的高性能燃气轮机装置的需求越来越迫切。

尤其是，特别在某些操作模式下，采取稳定性限制的燃烧处理必须被非常小心地控制以减少污染排放物。在这些条件下可能会发生热声不稳定现象(通常也被称为“嗡嗡声”)，该现象使装置的性能恶化，因此必须避免。

除了控制精度，装置燃烧器必须处在最佳效率的条件下。事实上，如果装置燃烧器不能如此，那么排放水平和性能难以得到遵守。

另一方面，监视一些燃烧参数是用于评估处理质量和可能的恶化状态的开始的根本措施，这可能需要维护操作。此外，在这种情况下，准确定位故障也是非常重要的，以使通常会导致高成本的干预时间和机器的停机时间最小化。

目前的做法是使用从多个热电偶得到的信息，所述多个热电偶布置在涡轮机出口处，并且沿圆周均匀间隔开。供给到燃烧室、然后由涡轮机处理的流保持一定水平的相干性，由此，尽管是近似地，可以根据每个热电偶的角度位置来确定流体流本身基本上与其对应的一组燃烧器的角度位置。具体地，在故障情况下，由热电偶提供的异常数据涉及一组燃烧器，至少其中一个是故障所在的位置。然而，由于在燃烧室的入口和涡轮机的出口之间的流体的部分混合，所以不能定位被怀疑有故障的单个燃烧器。通常识别必须在维修站期间被单独检查的包括3至5个燃烧器的组。此外，处理的流旋转也取决于燃气轮机的负荷。因此，热电偶和燃烧器之间的角度关系不固定，并且由于这个原因更加难以精确地确定该角度关系。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于检测燃气轮机装置的燃烧室中的故障的方法，以及一种燃气轮机装置。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于检测具有多个燃烧器的燃气轮机装置的燃烧室中的故障的方法，所述方法包括：提供动态压力信号，其每一个指示在相应的燃烧器处的动态压力；其特征在于：计算所述动态压力信号的频谱；根据所述频谱来识别所述燃烧器的故障；以及基于所述燃烧器和相应的动态压力信号之间的双射相关性来识别遭受故障的每个燃烧器，其中，计算频谱包括：计算装置的首次开始的初始频谱；基于所述初始频谱计算初始基准频谱；以及在故障情况下生成报警信息，并且其中，识别所述燃烧器的故障包括：确定所述初始频谱相对于所述初始基准频谱的初始偏差；将所述初始偏差与初始偏差阈值进行比较；以及如果在至少一个频率处所述初始频谱中的一个超过所述初始偏差阈值，则识别出故障。

根据本发明的另一个方面，提供了一种燃气轮机装置，包括：燃烧室，其具有多个燃烧器；用于每个燃烧器的相应的动态压力传感器，其设置在所述燃烧室中或接近于所述燃烧室，以便检测相应的燃烧器处的动态压力，并且所述动态压力传感器被配置成提供相应的动态压力信号；以及处理单元，其与所述压力传感器耦接，以接收所述动态压力信号；其特征在于，所述处理单元被配置成执行上述用于检测具有多个燃烧器的燃气轮机装置的燃烧室中的故障的方法。

附图说明

现将结合附图来描述本发明，这些附图示出了本发明非限制性的实施方式，其中：

-图1是沿燃气轮机装置的一部分的纵向平面取得的侧视图；

-图2是图1中的装置部分的简化正视图；

-图3是图1中的部分装置的简化框图；

-图4是示出关于图1中装置的幅度的图表；

-图5是按照根据本发明的方法的实施方式的第一流程的简化流程图；以及

-图6是按照根据本发明的方法的实施方式的第二流程的简化流程图。

具体实施方式

参考图1，用于产生电力的燃气轮机装置被表示成由附图标记1标记的整体，并且包括压缩机2、燃烧室3和涡轮机5。

压缩机2和涡轮机5被安装在同一轴上以形成转子7，转子7容纳在壳体8内，并且沿轴线M延伸。

更详细地说，转子7设置有以环形阵列的方式组织的多个压缩机转子叶片10和涡轮机转子叶片11，它们沿着转子7本身的轴线M依次排列。

压缩机定子叶片12和涡轮机定子叶片13的相应阵列被固定到壳体8，并且分别在压缩机转子叶片10和涡轮机转子叶片11之间间隔开。

在本文所述的实施方式中，燃烧室3是环型类型，并且在压缩机2和涡轮机5之间关于转子7布置。

燃烧室3包括多个燃烧器15。另如图2所示，燃烧器15布置在圆周上，并且以均匀方式成角度地间隔开。在一个实施方式中，具体地，有24个燃烧器15，并且在两个相邻的燃烧器15之间的角度是15°。

如图3所示，用于监视热声学不稳定性的设备20包括处理单元21和多个动态压力传感器22。更具体地，动态压力传感器22的数量等于燃烧器15的数量，并且每个动态压力传感器22耦接到相应的燃烧器15。每个动态压力传感器22被布置以检测在燃烧室3的相应的燃烧器15处的压力振动。指示在相应的燃烧器15处检测到的压力的动态压力信号P₁，P₂，...，P_N(在所描述的实施方式中N＝24)被提供到如下所述的处理单元21以便进行处理。每个动态压力信号P₁，P₂，...，P_N例如由标签标识，使其与相应的动态压力传感器22有关，从而与相应的燃烧器15有关。动态压力信号P₁，P₂，...，P_N的谐波含量由因为直接接近于相应的燃烧器15的燃烧而引起的压力振动来确定。在图4中仅以示例的方式示出了可能的动态压力信号P_I的频谱。然而，有用的是观察动态压力信号频谱P₁，P₂，...，P_N的特征参数取决于机器类型并且随着老化而改变，同时保持可识别性。具体地，动态压力信号P₁，P₂，...，P_N的频谱具有相同数目的峰值频率最大值f₁，...，f_M，其从信号到信号随着时间略微变化。对于某些机器类型而言，例如每个频谱具有三个峰值，分别在约f₁＝90Hz，f₂＝120Hz和f₃＝170Hz(如图4所示的示例)。峰值幅度作为燃烧器老化的函数而变化，并且随着时间过去，较高的频率贡献趋于具有较高的权重。

处理单元21使用动态压力信号P₁，P₂，...，P_N，以便单独地确定每个燃烧器15的操作状态，并且在发生故障的情况下，将报警消息MSG提供到装置控制器25。此外，处理单元21使用动态压力信号P₁，P₂，...，P_N来定位发生故障的燃烧器15。

在实践中，在首次激活的基准条件下，处理单元21确定燃烧器15的初始操作状况，并从而随着时间过去跟踪燃烧器15的一般操作状况的演变，借助于连续的或定期的监视但以接近的时间间隔来识别可能的异常动态。

在本文中，“首次激活”是指当燃气轮机装置已建成(在涉及一个或多个燃烧器15的维护操作之后)时、当设备20被安装(如果该设备20原本不存在)时、或者当设备20已被重新初始化(在所有情况下)时对燃气轮机装置的启动。

此外，基准条件是由一组参数(例如环境技术最小的条件、基本负载和最大负载)限定的可重复操作条件。

图5示出了在装置1的首次激活中由处理单元21执行的流程。

处理单元21开始从动态压力传感器22获取动态压力信号P₁，P₂，...，P_N的时间序列(方框100)。

因此，根据每个动态压力信号P₁，P₂，...，P_N的预定数量的采样，例如借助于FFT来确定初始频谱S₁(f)，S₂(f)，...，S_N(f)(方框110)。

然后，根据在动态压力信号P₁，P₂，...，P_N的整个有用的频带上的初始频谱S₁(f)，S₂(f)，...，S_N(f)的平均值，处理单元21确定初始基准频谱S_REF(f)，(方框120)：

$S_{REF}\left(f\right)=\frac{1}{N}\underset{I=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_I\left(f\right)---\left(1\right)$

有用的频带是频率f的间隔，其中，动态压力信号P₁，P₂，...，P_N明显不同于零。

一旦初始基准频谱S_REF(f)已确定，处理单元21相对于初始基准频谱S_REF(f)计算每个初始频谱S₁(f)，S₂(f)，...，S_N(f)的初始偏差ΔS₁(f)，ΔS₂(f)，...，ΔS_N(f)(方框130)：

ΔS_I(f)＝|S_I(f)-S_REF(f)|I＝1,2,...,N(2)

初始偏差ΔS₁(f)，ΔS₂(f)，...，ΔS_N(f)的计算扩大到动态压力信号P₁，P₂，...，P_N的整个有用的频带。

此外，确定每个初始频谱S₁(f)，S₂(f)，...，S_N(f)的特征参数，如具体的频率和频谱峰值的幅度(方框140)。

然后，处理单元21相对于初始基准频谱S_REF(f)对初始偏差ΔS₁(f)，ΔS₂(f)，...，ΔS_N(f)进行第一检验(方框150)。

在这个步骤期间，处理单元21将初始偏差ΔS₁(f)，ΔS₂(f)，...，ΔS_N(f)与可以通过实验确定的初始偏差阈值TH1(f)进行比较。在一个实施方式中，对于动态压力信号P₁，P₂，...，P_N的整个有用的频带，阈值TH1(f)是恒定的。

如果初始偏差ΔS₁(f)，ΔS₂(f)，...，ΔS_N(f)低于基于整个有用的频带的阈值TH1(f)(方框150，“是”的输出)，则检验是成功的，并且流程结束(方框160)。相反，如果一个或多个频率f的初始频谱S_I(f)的初始偏差ΔS_I(f)超过阈值TH1(f)(方框150，“否”的输出)，则处理单元21记录故障(方框170)。在这种情况下，生成用于装置控制器25的报警信号MSG。报警消息MSG指示燃烧器15中的至少一个显示异常热声振动现象。报警消息MSG优选包含字段，该字段根据燃烧器15和相应的动态压力信号P₁，P₂，...，P_N之间的双射相关性来识别遭受故障的(一个或多个)燃烧器15。可替选地，动态压力信号P₁，P₂，...，P_N可以在各自不同(并且因此可识别的)的终端上获得，或者根据预定的序列依次由一个或多个终端获得。

处理单元21周期性地运行进一步的检验，该检验始于对动态压力信号P₁，P₂，...，P_N的新的采集，比较更新的频谱参数，将初始频谱参数与更新的频谱参数进行比较，以及基于所进行的交叉比较来确定可能存在的故障。

如图6所示，具体地，处理单元确定：更新的频谱S₁ ^*(f)，S₂ ^*(f)，...，S_N ^*(f)；更新的基准频谱S_REF ^*(f)；以及更新的频谱S₁ ^*(f)，S₂ ^*(f)，...，S_N ^*(f)相对于从对动态压力信号P₁，P₂，...，P_N的新的采集开始的更新的基准频谱S_REF ^*(f)的更新的偏差ΔS₁ ^*(f)，ΔS₂ ^*(f)，...，ΔS_N ^*(f)(方框200)。为此目的，处理单元21使用关系(1)和(2)以及结合图5已描述的步骤(方框110-130)。此外，提取更新的频谱S₁ ^*(f)，S₂ ^*(f)，...，S_N ^*(f)的特征参数(具体地，关于特征频率、亦即关于初始频谱S₁(f)，S₂(f)，...，S_N(f)的峰值频率的频谱峰值的幅度和频率)。

然后，如下所述运行测试。

首先，将更新的基准频谱S_REF ^*(f)与初始基准频谱S_REF(f)进行比较(方框210)。如果更新的基准频谱S_REF ^*(f)和初始基准频谱S_REF(f)之间的差小于基于整个有用的频带的基准阈值TH2(f)(方框210，“是”的输出)，则更新的基准频谱S_REF ^*(f)用于更新历史序列SH(图6，方框220)。与此形成对照，如果至少一个频率f超过阈值TH2(f)(方框210，“否”的输出)，则确定故障，并且在更新历史序列SH(方框220)之前生成指示燃烧器15的一般恶化状态的报警消息MSG(方框230)。

一旦历史序列SH已被更新，那么处理单元21计算历史序列SH本身的最新的值之间的变化(方框240)。如果历史序列的变化超过变化阈值TH3(方框250，“否”的输出)，则确定故障，并且生成指示燃烧器15的一般恶化状态的报警消息MSG(方框260)。

否则(方框250，“是”的输出)，处理单元21直接继续进行新的测试，该测试评估更新的偏差ΔS₁ ^*(f)，ΔS₂ ^*(f)，...，ΔS_N ^*(f)的范围(方框270)。如果，在至少一种情况下，更新的偏差ΔS₁ ^*(f)，ΔS₂ ^*(f)，...，ΔS_N ^*(f)之一超过偏差阈值TH4(f)(方框270，“否”的输出)，则处理单元21生成具有相关燃烧器15的标识字段的故障报警消息MSG。

相反，如果更新的偏差ΔS₁ ^*(f)，ΔS₂ ^*(f)，...，ΔS_N ^*(f)小于基于整个有用的频带的阈值TH4(f)(方框270，“是”的输出)，则直接进行特征参数的新的测试，以识别来自单个更新的频谱S₁ ^*(f)，S₂ ^*(f)，...，S_N ^*(f)的恶化标志(方框280)。具体地，由于燃烧器15的恶化趋于增加具有最高频率的分量的权重，所以评估关于峰值频率的频谱分量的相对权重。为此目的，在一个实施方式中，处理单元21确定关于初始基准频谱S_REF(f)的峰值频率f₁，...，f_M的子频带Δf₁，...，Δf_M。通过积分计算每个更新的频谱S₁ ^*(f)，S₂ ^*(f)，...，S_N ^*(f)的子频带Δf₁，...，Δf_M的贡献，然后每个频谱的贡献彼此相互进行比较，以确定它们各自的相对权重。如果与相应的初始频谱S₁(f)，S₂(f)，...，S_N(f)中的相对权重相比，子频带Δf₁，...，Δf_M中的一个或多个的相对权重增加了预定量，则处理单元21确定故障，并且相应地生成报警消息MSG(方框290)，从而流程结束(方框295)。否则(方框280，“是”的输出)，在不生成任何报警的情况下流程结束(295)(方框295)。在不同的实施方式中，处理单元21确定子频带Δf₁，...，Δf_M中更新的频谱S₁ ^*(f)，S₂ ^*(f)，...，S_N ^*(f)的最大值，并且比较最大值的相对权重，以确定可能发生的故障。

所描述的方法允许不断地监视热声现象并且监督燃烧器的恶化过程，从而识别由正常老化和确切事件(如由可燃气体引起的污物)这两个原因引起的可能故障。此外，故障可以被定位并且直接与燃烧器中的一个相关。因此，维护干预时间和成本可以大幅降低。

最后明显的是，在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对所描述的设备和方法进行改变和变更。

Claims (10)

1.一种用于检测具有多个燃烧器(15)的燃气轮机装置的燃烧室中的故障的方法，所述方法包括：

提供动态压力信号(P₁，P₂，...，P_N)，其每一个指示在相应的燃烧器(15)处的动态压力；

其特征在于：

计算所述动态压力信号(P₁，P₂，...，P_N)的频谱(S₁(f)，S₂(f)，...，S_N(f)，S₁ ^*(f)，S₂ ^*(f)，...，S_N ^*(f))；

根据所述频谱(S₁(f)，S₂(f)，...，S_N(f)，S₁ ^*(f)，S₂ ^*(f)，...，S_N ^*(f))来识别所述燃烧器(15)的故障；以及

基于所述燃烧器(15)和相应的动态压力信号(P₁，P₂，...，P_N)之间的双射相关性来识别遭受故障的每个燃烧器(15)，

其中，计算频谱(S₁(f)，S₂(f)，...，S_N(f)，S₁ ^*(f)，S₂ ^*(f)，...，S_N ^*(f))包括：

计算装置(1)的首次开始的初始频谱(S₁(f)，S₂(f)，...，S_N(f))；

基于所述初始频谱(S₁(f)，S₂(f)，...，S_N(f))计算初始基准频谱(S_REF(f))；以及

在故障情况下生成报警信息，并且

其中，识别所述燃烧器(15)的故障包括：

确定所述初始频谱(S₁(f)，S₂(f)，...，S_N(f))相对于所述初始基准频谱(S_REF(f))的初始偏差(ΔS₁(f)，ΔS₂(f)，...，ΔS_N(f))；

将所述初始偏差(ΔS₁(f)，ΔS₂(f)，...，ΔS_N(f))与初始偏差阈值(TH1(f))进行比较；以及

如果在至少一个频率(f)处所述初始频谱(S₁(f)，S₂(f)，...，S_N(f))中的一个超过所述初始偏差阈值(TH1(f))，则识别出故障。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据所述初始频谱(S₁(f)，S₂(f)，...，S_N(f))的平均值来计算所述初始基准频谱(S_REF(f))。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，计算频谱(S₁(f)，S₂(f)，...，S_N(f)，S₁ ^*(f)，S₂ ^*(f)，...，S_N ^*(f))包括：

在所述初始频谱(S₁(f)，S₂(f)，...，S_N(f))之后，计算更新的频谱(S₁ ^*(f)，S₂ ^*(f)，...，S_N ^*(f))；以及

根据所述更新的频谱(S₁ ^*(f)，S₂ ^*(f)，...，S_N ^*(f))来计算更新的基准频谱(S_REF ^*(f))。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，识别所述燃烧器(15)的故障包括：

确定所述更新的频谱(S₁ ^*(f)，S₂ ^*(f)，...，S_N ^*(f))相对于所述更新的基准频谱(S_REF ^*(f))的更新的偏差(ΔS₁ ^*(f)，ΔS₂ ^*(f)，...，ΔS_N ^*(f))；

将所述更新的偏差(ΔS₁ ^*(f)，ΔS₂ ^*(f)，...，ΔS_N ^*(f))与更新的偏差阈值(TH4(f))进行比较；以及

如果在至少一个频率(f)处所述更新的频谱(S₁ ^*(f)，S₂ ^*(f)，...，S_N ^*(f))中的一个超过所述更新的偏差阈值(TH4(f))，则识别出故障。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，识别所述燃烧器(15)的故障包括：如果在至少一个频率(f)处所述更新的基准频谱(S_REF ^*(f))和所述初始基准频谱(S_REF(f))之间的差超过基准阈值(TH2(f))，则确定故障。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，识别所述燃烧器(15)的故障包括：

如果在每个频率(f)处所述更新的基准频谱(S_REF ^*(f))与所述初始基准频谱(S_REF(f))之间的差小于所述基准阈值(TH2(f))，则更新基准频谱的历史序列；

计算所述历史序列的最新值之间的变化量；以及

如果所述历史序列的最新值之间的变化量超过变化量阈值(TH3)，则确定故障。

7.根据权利要求3所述的方法，其中，识别所述燃烧器(15)的故障包括：

确定所述初始基准频谱(S_REF(f))的峰值频率(f₁，...，f_M)；

确定关于所述峰值频率(f₁，...，f_M)的子频带(Δf₁，...，Δf_M)；

确定每个更新的频谱(S₁ ^*(f)，S₂ ^*(f)，...，S_N ^*(f))在每个子频带(Δf₁，...，Δf_M)中的频谱贡献；

将每个更新的频谱(S₁ ^*(f)，S₂ ^*(f)，...，S_N ^*(f))在所述子频带(Δf₁，...，Δf_M)中的频谱贡献彼此相互进行比较；以及

根据所述比较识别故障。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，确定频谱贡献包括：对所述更新的频谱(S₁ ^*(f)，S₂ ^*(f)，...，S_N ^*(f))在所述子频带(Δf₁，...，Δf_M)中求积分。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，确定频谱贡献包括：确定所述更新的频谱(S₁ ^*(f)，S₂ ^*(f)，...，S_N ^*(f))在所述子频带(Δf₁，...，Δf_M)中的最大值，并且其中将频谱贡献彼此相互进行比较包括：将所述最大值彼此相互进行比较。

10.一种燃气轮机装置，包括：

燃烧室(3)，其具有多个燃烧器(15)；

用于每个燃烧器(15)的相应的动态压力传感器(22)，其设置在所述燃烧室(3)中或接近于所述燃烧室(3)，以便检测相应的燃烧器(15)处的动态压力，并且所述动态压力传感器(22)被配置成提供相应的动态压力信号(P₁，P₂，...，P_N)；以及

处理单元(21)，其与所述压力传感器(22)耦接，以接收所述动态压力信号(P₁，P₂，...，P_N)；

其特征在于，所述处理单元(21)被配置成执行根据权利要求1所述的方法。