CN107340137A - 一种重型燃气轮机透平效率在线监测系统装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种重型燃气轮机透平效率在线监测系统装置及其方法，它属于燃气轮机领域。本发明装置包括发电机、低压缸、中压缸和高压缸、压气机、燃烧室、透平、余热锅炉、空气参数测量装置、压气机出口参数测量装置、燃料气参数测量装置、透平排气参数测量装置、锅炉排气参数测量装置和透平效率计算模块，发电机、低压缸、中压缸、高压缸、压气机、燃烧室、透平和余热锅炉依次相连，空气参数测量装置、压气机出口参数测量装置、燃料气参数测量装置、透平排气参数测量装置、锅炉排气参数测量装置均传入透平效率计算模块。本发明还提供一种方法。本发明安全可靠，根据燃气轮机及其联合循环的物质能量平衡，间接在线获得燃气轮机透平当量效率。

Description

一种重型燃气轮机透平效率在线监测系统装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种系统装置及其方法，尤其是涉及一种重型燃气轮机透平效率在线监测系统装置及其方法，它属于燃气轮机发电领域。

背景技术

重型燃气轮机是一种高效洁净的大功率发电设备，燃气轮机及其联合循环广泛应用于天然气发电或者热电联供。燃气轮机主要由压气机、燃烧室、透平三大部件构成，压气机从环境中吸入空气，对空气加压以后形成高压空气，高压空气送入燃烧室，与燃料燃烧反应生成高温高压燃气，高温高压燃气在透平中膨胀做功，燃气温度和压力降低后排出。

现代重型燃气轮机由于进入透平前燃气温度高（目前已达1600℃以上），远远超过透平叶片材料能承受的温度，所以必须从压气机抽取大量的空气对透平叶片进行冷却。从燃气轮机排出的烟气还具有较高的温度，在联合循环中，通过余热锅炉进一步回收烟气的热量并产生蒸汽，蒸汽驱动汽轮机做功。联合循环的输出功率由燃气轮机和汽轮机共同产生。

在燃气轮机机组运行过程中，可能会出现各种故障导致性能下降，其中包括燃气轮机透平动叶叶身缺口，叶冠变形、缺口等，这些问题的出现会导致透平效率的下降，进而降低燃气轮机的性能。

重型燃气轮机在运行控制中，为了维持燃气轮机的高效率，既要尽量保证燃烧室的出口温度不降低，为了机组的安全运行，又不能使燃烧室出口温度超过设计值，否则会大大降低热端部件的寿命。但在燃气轮机机组的实际运行过程中，由于燃烧室的出口温度无法在线测量，通常的策略只能根据透平的排气温度和燃气轮机的压比，经过特定的模型计算燃烧室的出口温度，即通过透平的排气温度和燃气轮机的压比监测，间接的控制燃烧室出口温度。燃气轮机的透平效率的变化，还会导致燃烧室出口温度与透平排气温度、压比的关系发生变化，导致按原内置控制策略难以保证燃烧室出口温度。及时的发现燃气轮机透平叶片的问题，对于燃气轮机组的安全运行，优化检修具有重要意义。

燃气轮机的透平效率是燃气轮机透平运行状态反映的宏观指标，透平的性能下降最终会体现在透平效率的下降，所以如何在线监测透平性能的变化，对于掌握燃气轮机的运行状态具有重要作用。

现代重型燃气轮机由于透平前温很高，需要采用大量的空气对透平叶片进行冷却，冷却空气量和冷却空气的参数无法在线测量。此外，现代重型燃气轮机的燃烧室出口温度也无法直接在线测量。因此，无法直接获得透平的效率。不仅如此，由于透平冷却的存在，使得现代大型燃气轮机中，工质在透平中经历的过程已经不是简单的绝热膨胀过程，而是膨胀、换热、掺混的综合复杂过程，传统意义上的以透平实际膨胀过程与等熵膨胀过程的焓降之比来定义透平效率也由于冷却空气的加入而难以直接应用。

公开日为2014年12月10日，公开号为102840882B的中国专利中，公开了一种名称为“燃气透平发电机组状态监测和故障诊断系统及其使用方法”的发明专利。该专利包括机组自身的控制系统的振动监测模块和网络模块、信号采集模块和安装有LabVIEW平台的计算机；实时分析模块对状态性能信号和振动信号进行在线监测和分析，离线分析模块对记录的数据进行离线分析，故障诊断模块对机组进行故障诊断。虽然该专利操作简单、诊断精度和效率高，能应用于各透平发电机组的状态监测和诊断，但是该专利不能在线监测透平性能的变化，且透平前温很高，无法在线测量，故其还是存在上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理，监测安全可靠，根据燃气轮机及其联合循环的物质能量平衡，间接在线获得燃气轮机透平当量效率的重型燃气轮机透平效率在线监测系统装置及其方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该重型燃气轮机透平效率在线监测系统装置，包括发电机、低压缸、中压缸和高压缸、压气机、燃烧室、透平和余热锅炉，所述发电机、低压缸、中压缸、高压缸、压气机、燃烧室、透平和余热锅炉依次相连，余热锅炉分别与低压缸、中压缸和高压缸相连，其特征在于：还包括空气参数测量装置、压气机出口参数测量装置、燃料气参数测量装置、透平排气参数测量装置、锅炉排气参数测量装置和透平效率计算模块，所述空气参数测量装置设置在压气机的进口，压气机出口参数测量装置设置在压气机的出口，燃料气参数测量装置设置在燃烧室的燃料气总管路上，透平排气参数测量装置设置在透平的排气口，锅炉排气参数测量装置设置在余热锅炉的排气位置，空气参数测量装置、压气机出口参数测量装置、燃料气参数测量装置、透平排气参数测量装置、锅炉排气参数测量装置均通过信号传入透平效率计算模块；结构设计合理，监测安全可靠，在线获得燃气轮机透平当量效率，满足使用需求。

作为优选，本发明所述空气参数测量装置采用在线气体分析仪。

作为优选，本发明所述压气机出口参数测量装置采用热电偶和压力表。

作为优选，本发明所述燃料气参数测量装置包括燃料气组分测量装置、燃料气温度测量装置、燃料气热值测量装置和燃料气压力测量装置，该燃料气组分测量装置采用在线气体成分分析仪，燃料气温度测量装置采用热电偶，燃料气热值测量装置采用热量计，燃料气压力测量采用压力表。

作为优选，本发明所述透平排气参数测量装置包括温度测量和压力测量，该温度测量采用热电偶，压力测量采用压力表。

作为优选，本发明所述锅炉排气参数测量装置包括排烟干基氧浓度测量装置，该排烟干基氧浓度测量装置采用烟气分析仪。

本发明还提供一种重型燃气轮机透平效率在线监测系统的方法，采用重型燃气轮机透平效率在线监测系统装置，其特征在于：步骤如下：

(1）根据燃料的组分和空气的组分，计算燃料以当量比完全燃烧时所需的理论空气量；

(2）根据燃气轮机排气的氧浓度确定燃气轮机压气机的实际空气量与当量燃烧的理论空气量之比，进而获得燃气轮机压气机的空气与燃料量之比；

(3）根据燃气轮机压气机出口温度和压力、空气与燃料的流量之比、燃料的热值和燃料的组分、温度、压力，执行物质能量平衡计算获得燃烧室当量出口温度，即透平的当量进口温度；

(4）根据压气机出口压力、透平的排气压力计算透平的当量膨胀压比；

(5）根据透平的当量进口温度、透平排气温度、透平的当量膨胀压比计算透平的当量等熵效率。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：1、结构设计合理，监测安全可靠，通过燃气轮机联合循环的运行参数测量系统装置，间接获得燃气轮机当量透平效率，以此掌握燃气轮机透平的性能变化情况，及时发现透平的故障；2、通过测量排气氧浓度和燃料参数获得透平排气流量，避免了直接测量透平排气流量准确度低的问题；3、实现燃气轮机透平效率的在线监测，及时掌握透平的运行状态。

附图说明

图1是本发明实施例的在线监测装置结构示意图。

图中：空气参数测量装置1，压气机出口参数测量装置2，燃料气参数测量装置3，透平排气参数测量装置4，锅炉排气参数测量装置5，透平效率计算模块6，压气机7，燃烧室8，透平9，余热锅炉10，发电机11，低压缸12，中压缸13，高压缸14，冷凝器15，凝结水泵16，除氧器17，低压给水泵18，中压给水泵19，高压给水泵20，高压过热蒸汽A，中压过热蒸汽B，低压过热蒸汽C，排烟D，空气E，燃料气F，补水G。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例。

参见图1，本实施例重型燃气轮机透平效率在线监测系统装置主要包括发电机11、低压缸12、中压缸13和高压缸14、压气机7、燃烧室8、透平9、余热锅炉10、空气参数测量装置1、压气机7出口参数测量装置2、燃料气参数测量装置3、透平排气参数测量装置4、锅炉排气参数测量装置5和透平效率计算模块6，发电机11、低压缸12、中压缸13、高压缸14、压气机7、燃烧室8、透平9和余热锅炉10依次相连，余热锅炉10分别与低压缸12、中压缸13和高压缸14相连，空气参数测量装置1设置在压气机7的进口，压气机7出口参数测量装置2设置在压气机7的出口，燃料气参数测量装置3设置在燃烧室8的燃料气总管路上，透平排气参数测量装置4设置在透平9的排气口，锅炉排气参数测量装置5设置在余热锅炉10的排气位置，空气参数测量装置1、压气机7出口参数测量装置2、燃料气参数测量装置3、透平排气参数测量装置4、锅炉排气参数测量装置5均与通过信号传入透平效率计算模块6。

本实施例中的空气参数测量装置1采用在线气体分析仪。空气参数测量装置1测量压气机7进口空气的组分、湿度和干基氧浓度。

本实施例中的压气机7出口参数测量装置2采用热电偶和压力表；一般重型燃气轮机自带压气机7出口温度、压力测量装置。

本实施例中的燃料气参数测量装置3包括燃料气组分测量装置、燃料气温度测量装置、燃料气热值测量装置和燃料气压力测量装置，该燃料气组分测量装置采用在线气体成分分析仪，燃料气温度测量装置采用热电偶，燃料气热值测量装置采用热量计，燃料气压力测量采用压力表。

本实施例中的透平排气参数测量装置4包括温度测量和压力测量，该温度测量采用热电偶，压力测量采用压力表。

本实施例中的锅炉排气参数测量装置5包括排烟干基氧浓度测量装置，该排烟干基氧浓度测量装置采用烟气分析仪。

本实施例的所有测量的参数传送到燃气轮机发电机11组的控制系统，在控制系统中，透平效率计算模块6根据所测参数计算输出当量透平效率。

本实施例中低压缸12的出口依次串接冷凝器15和凝结水泵16后与余热锅炉10相连，余热锅炉10的输出端与除氧器17相连，该除氧器17的出口端分别通过低压给水泵18、中压给水泵19、高压给水泵20与余热锅炉10的输入端相连，余热锅炉10输出高压过热蒸汽A进入高压缸14，余热锅炉10输出中压过热蒸汽B进入中压缸13，余热锅炉10输出低压过热蒸汽C进入低压缸12，余热锅炉10的后端用于排烟D，空气E进入压气机7，燃料气F进入燃烧室8，补水G根据需求补入预热锅炉和凝结水泵16。

本发明还提供一种重型燃气轮机透平效率在线监测系统的方法，采用重型燃气轮机透平效率在线监测系统装置，其特征在于：步骤如下：

(1）根据燃料的组分和空气的组分，计算燃料以当量比完全燃烧时所需的理论空气量；

(2）根据燃气轮机排气的氧浓度确定燃气轮机压气机7的实际空气量与当量燃烧的理论空气量之比，进而获得燃气轮机压气机7的空气与燃料量之比；

(3）根据燃气轮机压气机7出口温度和压力、空气与燃料的流量之比、燃料的热值和燃料的组分、温度、压力，执行物质能量平衡计算获得燃烧室8当量出口温度，即透平9的当量进口温度；

(4）根据压气机7出口压力、透平9的排气压力计算透平9的当量膨胀压比；

(5）根据透平9的当量进口温度、透平9排气温度、透平9的当量膨胀压比计算透平9的当量等熵效率。

本实施例的目的是这样实现的：燃气轮机的透平9排气温度和排气压力是可以直接测量的，燃气轮机的压比也可以通过测量压气机7出口压力获得，但是透平9的冷却空气量，冷却空气参数和透平9进口温度无法在线直接测量。本发明采用当量透平前温来获得透平效率，当量透平前温定义为假设透平冷却空气都从燃气轮机压气机7出口抽取，并且所有的冷却空气都在透平9进口与燃烧室8出口的燃气混合，混合以后的温度即当量透平进口温度。采用当量透平进口温度定义避免了详细测量透平各级的冷却空气量及温度压力。当量透平进口温度是通过如下方法获得的，根据压气机7出口温度、压力以及压气机7的空气流量，燃烧室8的燃料温度、压力、热值和流量，通过物质能量平衡可以计算上述空气和燃料燃烧以后产生的燃气的温度，即当量透平进口温度。由于压气机7的流量难以准确的在线测量，本发明通过测量锅炉排气的烟气氧浓度，计算空气与燃料的流量之比，进而根据燃料量计算空气量。

通过上述阐述，本领域的技术人员已能实施。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种重型燃气轮机透平效率在线监测系统装置，包括发电机、低压缸、中压缸和高压缸、压气机、燃烧室、透平和余热锅炉，所述发电机、低压缸、中压缸、高压缸、压气机、燃烧室、透平和余热锅炉依次相连，余热锅炉分别与低压缸、中压缸和高压缸相连，其特征在于：还包括空气参数测量装置、压气机出口参数测量装置、燃料气参数测量装置、透平排气参数测量装置、锅炉排气参数测量装置和透平效率计算模块，所述空气参数测量装置设置在压气机的进口，压气机出口参数测量装置设置在压气机的出口，燃料气参数测量装置设置在燃烧室的燃料气总管路上，透平排气参数测量装置设置在透平的排气口，锅炉排气参数测量装置设置在余热锅炉的排气位置，空气参数测量装置、压气机出口参数测量装置、燃料气参数测量装置、透平排气参数测量装置、锅炉排气参数测量装置均通过信号传入透平效率计算模块。

2.根据权利要求1所述的重型燃气轮机透平效率在线监测系统装置，其特征在于：所述空气参数测量装置采用在线气体分析仪。

3.根据权利要求1所述的重型燃气轮机透平效率在线监测系统装置，其特征在于：所述压气机出口参数测量装置采用热电偶和压力表。

4.根据权利要求1所述的重型燃气轮机透平效率在线监测系统装置，其特征在于：所述燃料气参数测量装置包括燃料气组分测量装置、燃料气温度测量装置、燃料气热值测量装置和燃料气压力测量装置，该燃料气组分测量装置采用在线气体成分分析仪，燃料气温度测量装置采用热电偶，燃料气热值测量装置采用热量计，燃料气压力测量采用压力表。

5.根据权利要求1所述的重型燃气轮机透平效率在线监测系统装置，其特征在于：所述透平排气参数测量装置包括温度测量和压力测量，该温度测量采用热电偶，压力测量采用压力表。

6.根据权利要求1所述的重型燃气轮机透平效率在线监测系统装置，其特征在于：所述锅炉排气参数测量装置包括排烟干基氧浓度测量装置，该排烟干基氧浓度测量装置采用烟气分析仪。

7.一种重型燃气轮机透平效率在线监测系统的方法，采用任意权利要求1-6所述重型燃气轮机透平效率在线监测系统装置，其特征在于：步骤如下：

(1）根据燃料的组分和空气的组分，计算燃料以当量比完全燃烧时所需的理论空气量；

(2）根据燃气轮机排气的氧浓度确定燃气轮机压气机的实际空气量与当量燃烧的理论空气量之比，进而获得燃气轮机压气机的空气与燃料量之比；

(3）根据燃气轮机压气机出口温度和压力、空气与燃料的流量之比、燃料的热值和燃料的组分、温度、压力，执行物质能量平衡计算获得燃烧室当量出口温度，即透平的当量进口温度；

(4）根据压气机出口压力、透平的排气压力计算透平的当量膨胀压比；

(5）根据透平的当量进口温度、透平排气温度、透平的当量膨胀压比计算透平的当量等熵效率。