CN105241669B - 基于比较编码的燃气轮机燃烧系统在线监测方法 - Google Patents

Abstract

基于比较编码的燃气轮机燃烧系统在线监测方法，属于燃气轮机燃烧系统在线监测诊断领域。现有的燃机燃烧系统在线监测方法不能全面的描述燃烧室工作情况和不能在故障发生早期发出报警。一种基于比较编码的燃气轮机燃烧系统在线监测方法，获得燃机透平排气通道中各个测点的排气温度数据值并进行计算，确定各个测点之间允许的差异值确定为阈值G_n；将各个相邻测点排气温度进行比较，并定义离散化的编码序列M(ξ₁,ξ₂,…,ξ_n)，去除工况和环境变化的影响；检测相似度的变化趋势，以此判断燃机系统的运行状况。本发明方法具有提高燃机运行安全性和减少经济损失的优点。

Description

基于比较编码的燃气轮机燃烧系统在线监测方法

技术领域

本发明涉及一种基于比较编码的燃气轮机燃烧系统在线监测方法。

背景技术

燃气轮机作为一种高新技术，凭借着其结构紧凑、启动快、运行平稳、热效率高等优势已经成为21世纪核心动力装备之一，因此保障燃机平稳经济运行对生产实际有着重要意义。在燃气机组实际运行过程中，50％以上的故障都与燃烧室有关。由于燃烧室燃烧筒等部件长期工作在1600℃的高温区域，工作环境恶劣，设备一旦出现缺陷将可能会对下游喷嘴和动叶部件的安全构成威胁。因此，对燃气轮机燃烧室异常检测和故障诊断的研究就显得十分重要。

燃烧系统与燃烧室的燃气温度有着十分密切的关系，燃烧系统的异常可以通过燃烧室的温度反映出来，因此可以通过检测燃烧室的出口温度来监测燃烧系统的运行情况。然而燃烧室出口温度通常也会达到1100℃-1200℃，目前的传感器无法在这样的高温区域下长时间运行。

现有技术方案一：

利用形状因子来实现排温的在线监测，其形状因子的定义为t时刻下，热电偶测得的最高温与平均温度的比值，由于温度的突变会影响形状因子，所以便可以用一段时间内的形状因子的变化来推测燃机燃烧室是否发生了异常，如当形状因子突然高于正常范围，则说明机组的排温出现了异常。

现有技术方案一的缺点：

该方法仅仅利用了各个温度测点之间的最高值来判断排温是否发生异常，不能全面的描述燃机燃烧室工作的情况及异常演变的过程，当某些异常发生时，会导致一些热电偶的测得的温度出现问题，若这些排温不是最高温度，则该方法不能检测出系统异常。

现有技术方案二：

GE公司开发的MARK VI燃烧监测系统定义S为排气温度的允许排温分散度，认为S是燃气轮机出口的平均排气温度T₄ ^*、压气机出口温度T₄ ^*的函数，具体函数是个经验公式：

在该公式里，温度均是以℉为计量单位的。公式右端的100带有括号，表示变工况条件下才加入该项。

此外，MARK VI燃烧监测系统还定义：S1为排气温度热电偶的最高读数与最低读数之间的差；S2为排气温度热电偶的最高读数与第2个低读数之间的差；S3为排气温度热电偶的最高读数与第3个低读数之间的差。

基于上述的公式和定义，MARKⅥ燃烧监测保护系统的判别原理见图2。图2中，K₁,K₂,K₃是三个依据经验定义的参数。典型情况下：

K₁＝1.0；K₂＝5.0；K₃＝0.8

现有方案二的缺点：

在实际应用中发现，该种方法检测不出异常演变的过程，无法对燃烧状态变化趋势做出判断，存在严重的“事后”诊断现象，即当检测系统发出报警时燃烧系统已经损坏较严重。

发明内容

本发明的目的是为了解决燃机燃烧系统在线监测方法不能全面的描述燃烧室工作情况和不能在故障发生早期发出报警，而提出一种基于比较编码的燃气轮机燃烧系统在线监测方法。

一种基于比较编码的燃气轮机燃烧系统在线监测方法，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、在燃机透平排气通道中周向均匀布置一组排气测温热电偶，每个排气测温热电偶作为一个测点，获得各个测点在燃机无故障正常运行情况下的排气温度数据值；

步骤二、对步骤一获得的各个测点排气温度数据值进行计算，确定各个测点之间允许的差异值确定为阈值G_n；

步骤三、将t时刻各个相邻测点排气温度进行比较，并定义：

若相邻测点排气温度之差大于阈值G_n的上限，则对应码值ξ编为1；若相邻测点排气温度之差小于阈值G_n的下限，则对应码值ξ编为-1；若相邻测点排气温度之差在阈值G_n的范围内，则对应码值ξ编为0；

从而得到一组离散化的编码序列M(ξ₁,ξ₂,…,ξ_n)；n表示编码序号；

步骤四、计算步骤三得到的各个编码序号的编码序列M(ξ₁,ξ₂,…,ξ_n)与参考时刻t′的编码序列N(ν₁,ν₂,…,ν_n)之间的相似度；其中，n表示编码序号；

步骤五、检测步骤四获得的相似度的变化趋势，以此判断燃机系统的运行状况：

若相似度总是在[0,1]的范围内波动，表明燃机排气温度的变化趋势在阈值G_n范围内，则判断燃烧室出口温度在正常值范围内，燃机系统是正常运行的；

若相似度波动大于1，表明燃机排气温度的变化趋势不在阈值G_n范围内，则判断燃烧室出口温度不在正常值范围内，燃机系统是异常运行的。

本发明的有益效果为：

如图1所示的透平排气通道中的热电偶布置示意图，本发明方法在透平排气通道中周向均匀布置一组排气测温热电偶，通过检测透平排气温度来间接测量燃烧室出口温度，从而达到监测燃烧系统运行情况的需求。与目前现有的燃机排温异常检测技术相比，本发明方法使用离散化编码的处理方式对燃机测点排温进行处理，充分利用各个排温测点实时反馈出来的数据信息，有效地消除工况与环境温度变化对检测结果的影响，从而准确地检测燃机的运行情况，做到异常情况的早发现、早消除，提高安全性，减少经济损失。

附图说明

图1为本发明背景技术涉及的透平排气通道中的热电偶布置；

图2为本发明背景技术涉及的燃烧监测的判别原理图；图中，横坐标表示S1与S的比值，纵坐标表示S2与S的比值；MARK VI燃烧监测系统中S1为排气温度热电偶的最高读数与最低读数之间的差；S2为排气温度热电偶的最高读数与第2个低读数之间的差；S3为排气温度热电偶的最高读数与第3个低读数之间的差。

图3为本发明涉及的各个测点排气温度在t时刻燃机的相对大小关系；图中，横坐标表示燃机排温测点序号，纵坐标表示测点温度；

图4为本发明涉及的燃机正常运行阶段一段时间内的排气温度数据；图中，横坐标表示温差序号，纵坐标表示测点之间温差；

图5为本发明方法流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：

本实施方式的基于比较编码的燃气轮机燃烧系统在线监测方法，结合图5所示的流程图，一种基于比较编码的燃气轮机燃烧系统在线监测方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、如图1所示在燃机透平排气通道中周向均匀布置一组排气测温热电偶，每个排气测温热电偶作为一个测点，获得各个测点在燃机无故障正常运行情况下的排气温度数据值；

步骤二、对步骤一获得的各个测点排气温度数据值进行计算，确定各个测点之间允许的差异值确定为阈值G_n；

步骤三、将t时刻各个相邻测点排气温度进行比较，并定义：

若相邻测点排气温度之差大于阈值G_n的上限，则对应码值ξ编为1；若相邻测点排气温度之差小于阈值G_n的下限，则对应码值ξ编为-1；若相邻测点排气温度之差在阈值G_n的范围内，则对应码值ξ编为0；

从而得到一组离散化的编码序列M(ξ₁,ξ₂,…,ξ_n)；n表示编码序号；

步骤四、计算步骤三得到的各个编码序号的编码序列M(ξ₁,ξ₂,…,ξ_n)与参考时刻t′的编码序列N(ν₁,ν₂,…,ν_n)之间的相似度；其中，n表示编码序号；

步骤五、检测步骤四获得的相似度的变化趋势，以此判断燃机系统的运行状况：

若相似度总是在[0,1]的范围内波动，表明燃机排气温度的变化趋势在阈值G_n范围内，则判断燃烧室出口温度在正常值范围内，燃机系统是正常运行的；

若相似度波动大于1，表明燃机排气温度的变化趋势不在阈值G_n范围内，则判断燃烧室出口温度不在正常值范围内，燃机系统是异常运行的。

具体实施方式二：

与具体实施方式一不同的是，本实施方式的基于比较编码的燃气轮机燃烧系统在线监测方法，步骤二所述确定差异值△T_n的阈值G_n的过程为，选取如图4所示的燃机正常运行阶段一段时间内的排气温度数据作为训练集，对任意相邻两个测点的排气温度作差，作为各相邻测点之间排气温度数据相对大小允许的差异值△T_n，且差异值△T_n表示时间序列，满足正态分布△T～N(μ_n,σ_n)，则差异值△T_n的阈值G_n为[μ_n-3σ_n,μ_n+σ_n],n表示时间序号。

具体实施方式三：

与具体实施方式一或二不同的是，本实施方式的基于比较编码的燃气轮机燃烧系统在线监测方法，步骤三所述各个相邻测点排气温度进行比较的过程为，测点2与测点1比较，得到的编码序号为1；测点3与测点2比较，得到的编码序号为2，直到第n个测点时，测点n与测点1比较，得到的编码序号为n，得到每个不同的序号的不同编码序列。

具体实施方式四：

与具体实施方式三不同的是，本实施方式的基于比较编码的燃气轮机燃烧系统在线监测方法，步骤四所述步骤三得到的各个编码序号的编码序列M(ξ₁,ξ₂,…,ξ_n)与参考时刻t′的编码序列N(ν₁,ν₂,…,ν_n)之间的相似度的过程为，根据欧氏距离计算公式：计算编码序列M(ξ₁,ξ₂,…,ξ_n)与参考时刻t′的编码序列N(ν₁,ν₂,…,ν_n)之间的欧氏距离，并将欧氏距离作为编码序列M(ξ₁,ξ₂,…,ξ_n)与参考时刻t′的编码序列N(ν₁,ν₂,…,ν_n)之间的相似度；其中，参考时刻t′的编码序列N表示为N(ν₁,ν₂,…,ν_n)，ν_n表示参考时刻t’的编码序号为n的编码。

实施例1：

以燃气机组为例，在透平排气通道中周向均匀布置12个电热偶，并依次编为1-12号排温测点。根据各测点排温稳定分布的原理，我们通过对相邻测点温度的比较对排温分布情况进行离散化处理。

设n为测点编号，有

△T_n＝T_n+1-T_n(n＝1,2,…,11)

特殊的，当n＝12时，则

△T₁₂＝T₁-T₁₂

现定义阈值G_n的确定方法如下：

选取机组正常运行时一段时间内的数据作为训练集，对于任意相邻两测点温度作差，得到的△T_n是时间序列，其满足△T_n～N(μ_n,σ_n)，则△T_n的阈值G_n为[μ_n-3σ_n,μ_n+3σ_n]。

我们定义，当△T_n>μ_n+3σ_n时，有ξ_n＝1；当△T_n<μ_n-3σ_n时，有ξ_n＝-1；当μ_n-3σ_n≤△T_n≤μ_n+3σ_n时，有ξ_n＝0；

于是，可以得出一组离散化编码的序列Μ(ξ₁,ξ₂,…,ξ₁₂)。

假设Ν(ν₁,ν₂,…,ν₁₂)为正常模式下得出的序列，我们通过计算序列M与序列N的欧氏距离来确定他们的相似度，即：

Claims (4)

1.一种基于比较编码的燃气轮机燃烧系统在线监测方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、在燃机透平排气通道中周向均匀布置一组排气测温热电偶，每个排气测温热电偶作为一个测点，获得各个测点在燃机无故障正常运行情况下的排气温度数据值；

步骤二、对步骤一获得的各个测点排气温度数据值进行计算，确定各个测点之间允许的差异值确定为阈值G_n；

步骤三、将t时刻各个相邻测点排气温度进行比较，并定义：

若相邻测点排气温度之差大于阈值G_n的上限，则对应码值ξ编为1；若相邻测点排气温度之差小于阈值G_n的下限，则对应码值ξ编为-1；若相邻测点排气温度之差在阈值G_n的范围内，则对应码值ξ编为0；

从而得到一组离散化的编码序列M(ξ₁,ξ₂,…,ξ_n)；n表示编码序号；

步骤四、计算步骤三得到的某个时刻的编码序列M(ξ₁,ξ₂,…,ξ_n)与参考时刻t′的编码序列N(ν₁,ν₂,…,ν_n)之间的相似度；其中，n表示编码序号；

步骤五、检测步骤四获得的相似度的变化趋势，以此判断燃机系统的运行状况：

若相似度总是在[0,1]的范围内波动，表明燃机排气温度的变化趋势在阈值G_n范围内，则判断燃烧室出口温度在正常值范围内，燃机系统是正常运行的；

若相似度波动大于1，表明燃机排气温度的变化趋势不在阈值G_n范围内，则判断燃烧室出口温度不在正常值范围内，燃机系统是异常运行的。

2.根据权利要求1所述基于比较编码的燃气轮机燃烧系统在线监测方法，其特征在于：步骤二所述确定差异值△T_n的阈值G_n的过程为，选取燃机正常运行阶段一段时间内的排气温度数据作为训练集，对任意相邻两个测点的排气温度作差，作为各相邻测点之间排气温度数据相对大小允许的差异值△T_n，且差异值△T_n表示时间序列，满足正态分布△T_n～N(μ_n,σ_n)，则差异值△T_n的阈值G_n为[μ_n-3σ_n,μ_n+3σ_n]。

3.根据权利要求1或2所述基于比较编码的燃气轮机燃烧系统在线监测方法，其特征在于：步骤三所述各个相邻测点排气温度进行比较的过程为，测点2与测点1比较，得到的编码序号为1；测点3与测点2比较，得到的编码序号为2，直到第n个测点时，测点n与测点1比较，得到的编码序号为n，得到每个不同的序号的不同编码序列。

4.根据权利要求3所述基于比较编码的燃气轮机燃烧系统在线监测方法，其特征在于：步骤四所述计算步骤三得到的各个编码序号的编码序列M(ξ₁,ξ₂,…,ξ_n)与参考时刻t′的编码序列N(ν₁,ν₂,…,ν_n)之间的相似度的过程为，根据欧氏距离计算公式：计算编码序列M(ξ₁,ξ₂,…,ξ_n)与参考时刻t′的编码序列N(ν₁,ν₂,…,ν_n)之间的欧氏距离，并将欧氏距离作为编码序列M(ξ₁,ξ₂,…,ξ_n)与参考时刻t′的编码序列N(ν₁,ν₂,…,ν_n)之间的相似度；其中，ν_n表示参考时刻t’的编码序号为n的编码。