CN109342066B - 重型燃气轮机故障燃烧筒定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重型燃气轮机故障燃烧筒定位的方法。重型燃气轮机燃烧筒易发生燃烧故障，在燃烧故障发生后，通常要把运行数据发回燃气轮机厂家，由其对故障燃烧筒进行定位；这种方式延误了电厂的检修时间，给电厂带来了经济损失。本发明通过在透平末级动叶出口加装环形均匀分布的热电偶，根据机组运行数据以及燃气轮机的相关物理尺寸计算出燃机排气至热电偶偏转角度，并监测找到热电偶温度最低点，根据偏转角度判断出具体哪个燃烧筒发生故障。本发明的方法可以快速定位故障燃烧筒的位置，从而减少机组维护和停运的时间，提高了机组运行的可用率。

Description

重型燃气轮机故障燃烧筒定位的方法

技术领域

本发明涉及分管式和环管式燃气轮机运行和维护技术领域，具体地说是一种重型燃气轮机故障燃烧筒定位的方法。

背景技术

国内多年的运行实践表明，重型燃气轮机燃烧筒易发生燃烧故障，会导致燃烧筒烧毁事故。一个原因是燃烧筒本身运行在高温恶劣环境；另一个原因是这几种燃烧室结构过于复杂，与之配套的燃烧监测系统只有在故障比较严重的状况下才能发现故障并报警。在燃烧故障发生后，通常要把运行数据发回燃气轮机厂家，由其对故障燃烧筒进行定位。这种方式延误了电厂的检修时间，给电厂带来了经济损失。

目前燃机轮机的燃烧室主要有四种类型：圆筒式燃烧室、分管式燃烧室、环管式燃烧室、环形燃烧室；其中圆筒式燃烧室就是单个大号的管式燃烧室，实际应用较少。而后三者的区别在于：分管式燃烧室由多个管式燃烧室环形布置，每个燃烧室内含一个燃烧筒和喷嘴；环管式燃烧室由多个管式燃烧筒环形布置，每个燃烧筒内含一个喷嘴；环形燃烧室直接由多个喷嘴环形布置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种重型燃气轮机故障燃烧筒定位的方法，以快速定位故障燃烧筒的位置，从而减少机组维护和停运的时间，提高机组运行的可用率。

为此，本发明采用如下的技术方案：重型燃气轮机故障燃烧筒定位的方法，所述燃气轮机包括燃烧筒、透平动叶以及多个热电偶测量装置，所述的多个热电偶测量装置环形均匀分布于透平末级动叶出口下游，所述的方法包括以下步骤：

根据燃气轮机末级动叶的排气角度和当前排气流量获得排气的轴向速度c和实际周向速度u_s；然后根据末级动叶排气出口平面到温度测量用热电偶平面的距离L和轴向速度c获得排气从离开末级叶片到达热电偶平面的时间t，最后根据实际周向速度u_s和时间t计算得到排气至热电偶偏转的角度φ，从测得的温度最低点位置逆机组转动方向偏转角度φ即为故障燃烧筒的位置。

当燃气轮机的排气分散度比正常值高，排气温度的最低点随着负荷变化而相应改变，可以判定某个燃烧筒发生了燃烧故障(分管式和环管式燃气轮机燃烧室有多个燃烧筒)。当机组发生燃烧恶化，排气温度分散度就会增大，超过允许范围后会发出燃烧故障报警，控制器会根据相应的控制逻辑进行相应的措施。本发明通过在透平末级动叶出口加装环形均匀分布的热电偶，根据机组运行数据以及燃气轮机的相关物理尺寸计算出燃机排气至热电偶偏转角度，并监测找到热电偶温度最低点，根据偏转角度来判断具体是哪个燃烧筒发生故障。

考虑燃烧室中燃烧筒环形布置数量较多，一一拆卸排查难以达到迅速消缺并网任务。为了及时启机入网满足调峰需求，本发明通过计算出燃机排气偏转角度即可确定故障燃烧筒位置，增快了机组对电网的响应速度。

针对控制器发出燃烧筒故障指令时，在外形参数给定的情况下，除了需要参考两个运行数据外，只需用数据采集仪导出热电偶装置中的各温度点，再经计算可依结果判断故障燃烧筒位置。本发明的处理方法摆脱了繁琐复杂的测量程序，避免了机械重复的校验过程，极大得减少了故障处理时间，并提高了试验方法的测量精度。

作为上述技术方案的补充，在透平排气温度和透平排气流量已知的情况下，利用质量流量公式c＝m/ρ/A，求出排气在末级动叶中弧线位置的轴向速度c，式中，m为单位时间内通过的燃机排气质量，ρ为燃机排气的实际密度，A为末级动叶出口的通流面积。

作为上述技术方案的补充，根据转子和末级动叶的外形参数即求得末级动叶中弧线位置的相对圆周速度u，进而求出该位置的实际圆周速度u_s＝u-c。本发明巧妙利用在外形参数确定的情况下，只需测量透平排气温度和透平排气流量即可得到实际圆周速度。

作为上述技术方案的补充，给定末级动叶至热电偶平面的轴向距离L，计算出排气从离开末级动叶到达热电偶平面的时间t＝L/c。

作为上述技术方案的补充，通过弧长公式求出扇形角度φ＝l/r＝(u_s*t)/(R+H/2)，R+H/2为末级动叶中弧线位置时的半径。由于故障燃烧筒出口排气温度最低，该处气流顺着机组转动方向偏转角度φ后可被热电偶装置探测出，以此反推可定位到该故障燃烧筒位置。

作为上述技术方案的补充，本发明的定位方法适用于分管式和环管式燃气轮机燃烧室。分管式燃烧室之间的每个燃烧筒都隔开了，其优点是便于维护和替换，缺点是燃烧室整体火焰掺混程度最低，一旦某个燃烧筒发生故障，对应的透平出口温度最低点最易辨识，这与本发明的契合度最高；环管式的火焰掺混程度其次，可用本发明方法进行故障判断；而环形燃烧室整一环形通道只有喷嘴，通流能力最强，其火焰燃烧程度最均匀，但对应的透平出口温度最低点辨识度较低，不便用本发明方法进行故障位置确定。

本发明具有的有益效果如下：本发明的方法可以快速定位故障燃烧筒的位置，从而减少机组维护和停运的时间，提高了机组运行的可用率。

附图说明

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本发明实施例中排气热电偶布置图；

图2为本发明实施例中燃气轮机末级动叶排气截面图；

图3为本发明实施例中故障燃烧筒定位原理图；

图4为本发明实施例中透平排气偏转角度示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。

需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

如附图1-3所示，图1为GE公司9F燃气轮机18个燃烧筒和31个排气温度热电偶布置图。图2中燃气轮机透平末级动叶处的转子半径R＝1.1m以及动叶的高度H＝0.57m。图3中燃气轮机透平末级动叶出口平面到热电偶平面的距离为L＝3.8m，末级动叶中心点的排气角度α＝45°，图中速度矢量图取的是末级动叶中弧线位置。在每级动叶间都有导向叶栅(图中未画出)改变动叶栅气流出口方向，使得气流恰好垂直下级动叶前缘驻点方向进入，从而气流的流动方向经过每级动叶后始终保持一致性。故气流的实际流动方向，从燃烧筒出口沿着轴向依次经过第一、二、三级动叶，接着喷向热电偶测量装置，在第三级动叶出口至热电偶之间因气流的实际圆周速度导致气流有一定程度的偏转。

在附图3上有速度矢量图，由于稳定状态下，速度矢量图即为力矩矢量图，该图同样可以表示力矩的矢量合成。附图3截取的是动叶中弧线位置的叶栅通道，定义O点为叶片尾缘出口驻点，其中

为排气流经动叶栅加速的射流方向；考虑到动叶联轴转动，动叶出口排气始终受到垂直于轴方向的圆周力

作用。按照力的平行四边形法则，

就是

和

两力的合成方向，其现实意义为气流的实际出流速度方向。

可以通过力的三角形分解成

轴向速度c和

实际圆周速度U_s方向，而实际圆周速度直接关系到能够能否求出温度最低点到达热电偶平面的偏转角度。

由于向量的模为向量的长度，可将实际圆周速度用速度矢量图的向量模表示

相对圆周速度u根据圆周线速度公式来确定：

通过附图2中末级动叶栅的几何尺寸得到，末级动叶中弧线位置处的旋转半径d＝R+H/2＝1.1+0.57/2＝1.385m。

末级动叶的转速即为机组的转速n＝3000r/min＝50r/s。

则末级动叶中弧位置的相对圆周速度u＝2*Π*d*n＝435.1m/s。

燃机排气的轴向速度c即为末级动叶垂直出流速度，可根据质量流量公式求出：

m＝ρ*V＝ρ*(A*c*t_1s)，

根据附图2末级叶片出口截面图，通流面积A＝Π*((R+H)²-R²)＝4.96011m²。

通过烟气分析仪对燃机排气成分进行测量，并结合天然气和空气成分计算可得到实际空燃比15：1。空气的相对分子质量29，天然气的相对分子质量可通过计算其质量浓度得到17.2，则两者混合后的燃气相对分子质量可通过气体摩尔质量浓度公式得到(完全燃烧前后相对分子数不变)：

M_燃＝(17.2*1+29*15)/(15+1)＝28.26，

已知标况下，空气的相对分子质量M_空＝29，ρ_空＝1.293kg/m³。

则标况下，即温度273.15K，压力101.325kPa时，对应的燃机排气密度为ρ_标况＝M_燃/M_空*ρ_空＝1.269kg/m³。

透平排气温度为600℃，则燃机排气的实际密度ρ_燃可通过气体的理想状态方程计算得到,考虑到燃机排气压力只比大气压略高，对结果影响较小，由此忽略可得：

p*V＝m*R_g*T→p＝ρ*R_g*T，

则ρ_燃＝ρ_标况*T_标况/T_燃＝1.269*273.15/(273.15+600)＝0.397kg/m³

因密度变化对试验结果影响较小，若要响应故障应急，可采用空气相对分子质量替代燃气相对分子质量来计算排气密度。

ρ_空＝M_空/M_燃*ρ_燃＝29/28.26*0.397＝0.407kg/m³。

已知透平排气流量为2329900kg/h，则可计算出在该条件下的燃气轴向速度c。

c＝m/ρ_燃/A/t_1s＝(2329900/3600)/0.397/4.96011/1＝328.66m/s。

则燃机排气的实际圆周速度u_s＝u-c＝435.1-328.66＝106.44m/s。

已知沿轴向末级叶片至热电偶平面的距离为L，由此可计算出透平排气从离开三级动叶到达热电偶平面的时间为：

t＝L/c＝3.8/328.66＝0.01156s。

如附图4所示，扇形角度φ可通过弧长公式：φ＝l/r来求得。

由于取的是动叶中弧线位置处，对应图中半径r＝R+H/2，

故φ＝l/r＝(u_s*t)/(R+H/2)＝(106.44*0.01156)/(1.1+0.57/2)＝0.8884＝0.2828π＝50.904°。即在中弧线位置处，燃机排气从透平出来顺着机组转动方向偏转50.904°，同样在叶尖位置处，燃机排气也发生相应的偏转到达热电偶装置，依此可通过找出最低温度的热电偶位置来反转50.904°判断故障燃烧筒位置。根据附图1中燃烧筒和热电偶的布置情况，如果#1排气热电偶温度处于最低点，那么#16燃烧筒故障的可能性最大。应该停机后对#15，#16，#17燃烧筒进行检查。

显然，本发明的上述实例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.重型燃气轮机故障燃烧筒定位的方法，所述燃气轮机包括燃烧筒、透平动叶以及多个热电偶测量装置，所述的多个热电偶测量装置环形均匀分布于透平末级动叶出口下游，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

根据燃气轮机末级动叶的排气角度和当前排气流量获得排气的轴向速度c和实际周向速度u_s；然后根据末级动叶排气出口平面到温度测量用热电偶平面的距离L和轴向速度c获得排气从离开末级动叶到达热电偶平面的时间t，最后根据实际周向速度u_s和时间t计算得到排气至热电偶偏转的角度φ，从测得的温度最低点位置逆机组转动方向偏转角度φ即为故障燃烧筒的位置；

在透平排气温度和透平排气流量已知的情况下，利用质量流量公式c=m/ρ/A，求出排气在末级动叶中弧线位置的轴向速度c，式中，m为单位时间内通过的燃机排气质量，ρ为燃机排气的实际密度，A为末级动叶出口的通流面积；

根据转子和末级动叶的外形参数即求得末级动叶中弧线位置的相对圆周速度u，进而求出该位置的实际圆周速度u_s=u-c；

给定末级动叶至热电偶平面的轴向距离L，计算出排气从离开末级动叶到达热电偶平面的时间t=L/c；

通过弧长公式求出扇形角度φ=l/r=（u_s*t）/(R+H/2)，R+H/2为末级动叶中弧线位置时的半径。

2.根据权利要求1所述的重型燃气轮机故障燃烧筒定位的方法，其特征在于，该方法适用于分管式和环管式燃气轮机燃烧室。

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