CN109556876A - 一种区分燃气轮机燃烧故障和热通道设备故障的诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种区分燃气轮机燃烧故障和热通道设备故障的诊断方法。本发明按照燃气轮机的工质‑燃气流动的路径，以燃气轮机的工质‑燃气流经的上游燃烧系统设备和下游热通道系统设备的工作机理为理论基础，分析物理规律、能量转换过程以及能够反映物理规律、能量转换过程的特征参数，得到区分燃气轮机燃烧系统设备故障和热通道系统设备故障的诊断策略。本发明能有效区分燃气轮机燃烧系统设备故障和热通道系统设备故障，从而实现诊断燃烧系统设备的工作状况与热通道系统设备的工作状况的目的。

Description

一种区分燃气轮机燃烧故障和热通道设备故障的诊断方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机故障诊断领域，具体地说是一种区分燃气轮机燃烧故障和热通道设备故障的诊断方法。

背景技术

燃气轮机以其功率密度高、结构紧凑、自动化程度高、安全可靠、污染物排放低、运行平稳，具有较高的热效率等优点，已成为航空、舰船和地面发电等首选的动力设备之一。燃气轮机的透平前燃气温度高低直接决定着燃气轮机的性能，是燃气轮机的技术水平的最重要指标。随着技术的进步，现代燃气轮机透平前燃气温度越来越高，以地面发电用的重型燃气轮机为例，F级技术透平前燃气温度约为1350℃；H/J级技术透平前燃气温度约为1500℃；不久的将来，燃气轮机透平前燃气温度将达到1700℃；而将来航空发动机透平前燃气温度将更是高达2000℃。因此，燃气轮机燃烧系统的设备，如火焰筒、过渡段，以及热通道设备如一级喷嘴、一级动叶片等高温部件，不仅承受着极高的温度，而且还承受很高的载荷，需要有很高的抗断裂强度、抗热机械疲劳、抗蠕变、抗氧化、抗腐蚀等性能。据统计，在燃气轮机故障中，50％以上的故障都与燃气轮机的高温部件有关。高温部件是燃气轮机最重要的核心部件，而目前发电用的重型燃气轮机，虽然配备有燃烧监测系统，但是尚不具备预防燃气轮机高温部件损坏事故发生的能力，为此亟需研究高温设备故障早期预警方法，预先发现高温设备故障的早期征兆，避免高温部件损坏事故发生。通常，燃气轮机高温设备故障的早期预警是通过测量燃气轮机排烟温度的均匀程度来间接判断的，包括燃气轮机燃烧系统的设备，如火焰筒、过渡段；以及热通道设备如一级喷嘴、一级动叶片等高温部件。

公开号为CN105241669A的中国专利文献公开了一种基于比较编码的燃气轮机燃烧系统在线监测方法，其获得燃气轮机透平排烟通道中各个测点的排烟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Gn；将各个相邻测点排烟温度进行比较，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，以此判断燃气轮机系统的运行状况。若相似度总是在[0,1]的范围内波动，表明燃气轮机排烟温度的变化趋势在阈值Gn范围内，则判断燃烧室出口温度在正常值范围内，燃气轮机系统是正常运行的；若相似度波动大于1，表明燃气轮机排烟温度的变化趋势不在阈值Gn范围内，则判断燃烧室出口温度不在正常值范围内，燃气轮机系统是异常运行的。

但是燃气轮机排烟温度不仅与燃气轮机的燃烧系统关系密切，而且还与处在燃烧系统燃气流动下游的热通道系统密切相关。公开号为CN105241669A的中国专利文献认为若相似度波动大于1，表明燃气轮机排烟温度的变化趋势不在阈值Gn范围内，则判断燃烧室出口温度不在正常值范围内。这是有瑕疵的，比如也存在这种可能，即燃烧室出口温度在正常值范围内，燃烧系统设备工作正常，但是由于处在燃烧系统燃气流动下游的热通道系统设备有故障，从而导致相似度波动大于1的情况。

公开号为CN105067275A的中国专利文献公开了一种基于排温偏离指数的燃气轮机燃烧系统在线监测诊断方法，其首先获取燃气轮机正常运行t_m时间内的排温数据T，计算t_j时刻n个热电偶的平均温度；并将t_j时刻不同热电偶的排温数据与正常运行的排温数据分别组成一一对应的关系；求得第i个热电偶排温数据和平均温度的关系；针对第i个热电偶，将β_i和排温数据和平均温度数据代入，求得第i个热电偶t_j时刻的排温，统计出排温，设定排温的阈值为[μ_i-3σ_i,μ_i+3σ_i]；当燃气轮机运行时，求解某个时间段每个热电偶对应排温数据；若超出了对应的阈值[μ_i-3σ_i,μ_i+3σ_i]，判断该热电偶对应的燃烧室内发生故障；反之，正常。

公开号为CN105067275A的中国专利文献认为当燃气轮机运行时，求解某个时间段每个热电偶对应排温数据，若超出了对应的阈值[μ_i-3σ_i,μ_i+3σ_i]，判断该热电偶对应的燃烧室内发生故障。同样的原因，这种方法也存在瑕疵，比如也存在这种可能，即燃烧系统设备工作正常，但是由于处在燃烧系统燃气流动下游的热通道系统设备有故障，从而导致超出了对应的阈值的情况。

由此看来燃气轮机排烟温度是燃气轮机运行状态的终端数据，是燃气轮机整体运行状况的综合体现，处在燃气流动上游的燃烧系统设备的工作状况与处在燃气流动下游的热通道系统设备的工作状况都对燃气轮机排烟温度产生直接影响。把燃烧系统设备和热通道系统设备割裂开来，通过监视燃气轮机排烟温度的变化情况，一旦排烟温度异常，或超出正常范围就诊断得出燃烧系统设备故障的结论，有些武断，在这一过程中还必须考虑处在燃气流动下游的热通道系统设备对排烟温度的影响。

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，提供一种区分燃气轮机燃烧系统设备故障和热通道设备故障的诊断方法，其用于区分燃气轮机燃烧系统设备故障和热通道系统设备故障，以实现诊断燃烧系统设备的工作状况与热通道系统设备的工作状况的目的。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种区分燃气轮机燃烧故障和热通道设备故障的诊断方法，其按照燃气轮机的工质-燃气流动的路径，以燃气轮机的工质-燃气流经的上游燃烧系统设备和下游热通道系统设备的工作机理为理论基础，分析物理规律、能量转换过程以及能够反映物理规律、能量转换过程的特征参数，得到区分燃气轮机燃烧系统设备故障和热通道系统设备故障的诊断策略；

通过测量燃气轮机排烟口周向分布的排烟温度，计算燃气轮机排烟温度的分散度；采用数据融合处理的方式计算得到能够综合反应燃气轮机实际运行状况的燃气轮机平均排烟温度，用诊断策略区分燃气轮机燃烧系统设备故障和热通道系统设备故障。

作为上述技术方案的补充，当燃气轮机排烟温度的分散度不超过阀值时，则燃气轮机处于正常状态；当燃气轮机排烟温度的分散度超过阀值且异常的排烟温度不高于经数据整合处理的燃气轮机平均排烟温度时，则燃气轮机燃烧系统设备发生故障；当燃气轮机排烟温度的分散度超过阀值且异常的排烟温度高于经数据整合处理的燃气轮机平均排烟温度时，则燃气轮机的热通道系统设备发生故障。

作为上述技术方案的补充，采用热电偶传感器测量燃气轮机排烟口周向分布的排烟温度。

作为上述技术方案的补充，所述热电偶传感器的位置与燃烧器对应的位置存在偏转，其偏转程度与燃气轮机的负荷、IGV开度和大气环境参数有关，通过测量燃气轮机的负荷、IGV开度和大气环境参数进行修正。

作为上述技术方案的补充，采用数据融合处理得到的能够综合反应燃气轮机实际运行状况的燃气轮机平均排烟温度，其已去除包含燃烧系统设备发生故障和热通道系统设备发生故障而导致的排烟温度异常，以及测量中存在的噪声，保留排烟温度的真实信息，包括燃气轮机的负荷、IGV开度和大气环境参数。

作为上述技术方案的补充，所述的数据融合处理包括测量排烟温度的一致性检验和数据的融合；测量排烟温度的一致性检验时，在传感器数量有限的情况下，利用数据探测技术中的分布图法剔除误差；数据的融合采用算术平均值算法与分批估计相结合的融合算法。

作为上述技术方案的补充，所述数据的融合，其具体内容为：对经一致性检验后得到的排烟温度测量序列，按照序号的奇偶性的原则分为两组，对两组测量数据的算术平均值采用分批估计算法，估计出接近温度真实值的融合值，从而得到排烟温度的准确测量结果，消除测量过程中的不确定性。

本发明具有的有益效果如下：本发明能有效区分燃气轮机燃烧系统设备故障和热通道系统设备故障，从而实现诊断燃烧系统设备的工作状况与热通道系统设备的工作状况的目的。

附图说明

图1是本发明实施例中按照燃气轮机的工质-燃气流动的路径，上游燃烧系统设备和下游热通道系统设备的工作示意图；

图2是本发明实施例中燃气轮机工作的热力循环温-熵图；

图3是本发明实施例中燃气轮机分管型燃烧室和用于测量排烟温度的热电偶传感器布置图；

图4是本发明实施例中区分燃气轮机燃烧故障和热通道系统设备故障的诊断流程图。

具体实施方式

参考附图能更加全面地描述本发明，图上显示本发明的某些实施例，但是并非所有的实施例。实际上，本发明可以以很多不同的形式被体现，不应该把它看作仅限于这里所阐述的实施例；而应该把本发明的实施例看作是为了使本发明公开的内容满足可应用的合法要求而提供的。本实施例为下面结合说明书附图和具体实现方式对本发明的实质性特点做进一步说明：

按照燃气轮机的工质-燃气流动的路径，上游燃烧系统设备和下游热通道系统设备如图1所示，其工作过程中的物理规律、能量转换过程如下：

大气环境中的空气经过进气滤网过滤后由压气机进行压缩升压，生成的高压空气进入燃烧室中与燃料充分混合，发生燃烧反应，将燃料的化学能转化成热能，热能被燃气吸收，产生高温高压的燃气进入透平膨胀，将热能转化为机械能，透平排放的烟气排至大气环境中。工作过程中工质-燃气的压力(图中的虚线)、温度(图中的实线)随流动的变化情况也如图1所示。

燃气轮机工作的热力循环温-熵图如图2所示，其中实线表示的热力过程线围成的封闭循环表示理想循环，而虚线表示的热力过程线围成的封闭循环为实际循环。处在工质-燃气流动的路径上游的燃烧系统设备中完成的热力过程为2s-3，在这个热力过程中，燃料与高压空气混合、燃烧，把燃料的化学能转换成热能，热能被工质自己吸收，温度大幅提高；处在工质燃气流动的路径下游的热通道系统设备中完成的热力过程为3-4s，在这个热力过程中，高温高压的工质-燃气在由喷嘴和动叶组成的流道中膨胀流动，温度和压力降低，把工质-燃气蕴含的热能转换成机械能输出。如果考虑热力过程的不可逆性，那么燃气轮机工作的实际热力循环就如图2中的红色的热力过程线围成的封闭循环所示，处在工质-燃气流动的路径上游的燃烧系统设备中完成的热力过程为2-3，在这个热力过程中，燃料与高压空气混合、燃烧，把燃料的化学能转换成热能，热能被工质自己吸收，温度大幅提高，与理想的热力过程相比，由于在压气机压缩升压的热力过程也存在不可逆性，进入燃烧系统设备的高压空气的状态点由2s变为2，进入燃烧系统设备的高压空气的温度提高了。另外由于在燃烧系统设备中存在摩擦和热阻力，离开燃烧系统设备的工质-燃气的总压有所降低。再者，由于燃料不可能与高压空气完全混合均匀而完全燃烧，燃料的化学能也不可能完全转变为热能。因此，燃烧系统设备中完成的实际热力过程的吸热量比理想热力过程的吸热量有所降低；同样，处在工质-燃气流动的路径下游的热通道系统设备中完成的实际热力过程为3-4，在这个热力过程中，高温高压的工质-燃气在由喷嘴和动叶组成的流道中膨胀流动，温度和压力降低，把工质-燃气蕴含的热能转换成机械能输出。与理想的热力过程相比，由于工质-燃气在由喷嘴和动叶组成的流道中膨胀流动过程中存在不可逆性，在相同的膨胀比下，实际膨胀流动过程与理想膨胀流动过程相比，由热能转换得到的机械能有所减少。因此，燃气轮机实际的排烟温度有所升高。

通常一台燃气轮机布置若干分管型燃烧室，围绕燃气轮机的中心轴线均匀分布。用于测量燃气轮机排烟温度的若干热电偶传感器也在燃气轮机的透平排烟口围绕燃气轮机的中心轴线均匀分布，如图3所示。在图3中内圈示意画出18个分管型燃烧室的分布位置，外圈示意画出31个用于测量燃气轮机排烟温度的热电偶传感器的分布位置。燃气轮机在运行时，理想情况下每个燃烧室工作情况相同，具有相同的温度场，高温高压的燃气从燃烧室出来，进入过渡段，然后在由喷嘴和动叶组成的流道中膨胀流动，最后从燃气轮机排烟口排出，处在排烟口围绕燃气轮机的中心轴线均匀分布的各热电偶测量得到的排烟温度应该是均匀的。

燃气轮机排烟温度场的分布与各燃烧室的燃烧情况有着密切的关系，每一个燃烧室都会相对固定地与燃气轮机排烟温度的某几个测点相对应，由于燃气工质在燃气透平通流部分流动，排烟温度测量热电偶的位置与燃烧器对应的位置存在偏转，其偏转程度与燃气轮机的负荷、IGV开度、大气环境参数等有关，可以通过测量燃气轮机的负荷、IGV开度、大气环境参数进行修正。

当处在工质-燃气流动上游的燃烧系统设备的某个燃烧室发生故障，由这个燃烧室产生的燃气温度场出现畸变，这些燃气再流经下游的由喷嘴和动叶组成的流道，从而导致由对应的排烟温度测量热电偶测量得到的排烟温度与其它正常的排烟温度测量热电偶测量得到的排烟温度存在差异。

另一方面，如果处在工质-燃气流动上游的燃烧系统设备正常，而下游的热通道系统设备出现故障，同样的原因，工质-燃气流经故障的喷嘴或动叶组成的流道，由于热能转化成机械能的量减少，从而导致由对应的排烟温度测量热电偶测量得到的排烟温度与其它正常的排烟温度测量热电偶测量得到的排烟温度存在差异。

这些差异可以用排烟温度分散度来表征。定义S_allow：燃气轮机排烟温度的允许分散度；S₁：1号分散度，为燃气轮机排烟温度的热电偶测点的最高读数与最低读数之间的差值；S₂：2号分散度，为燃气轮机排烟温度的热电偶测点的最高读数与第2低读数之间的差值；S₃：3号分散度，为燃气轮机排烟温度的热电偶测点的最高读数与第3低读数之间的差值。

另一个关键的参数是采用数据融合的方式计算得到的能够综合反应燃气轮机实际运行状况的燃气轮机的平均排烟温度，计算方法和步骤为：

1、测量排烟温度的一致性检验

一致性检验的方法很多，通常有t检验、F检验、R检验等。在传感器数目有限的情况下，利用数据探测技术中的分布图法剔除疏失误差，可靠性较高，计算量也少，容易实现。排烟温度的分布图中反映数据分布结构的参数主要是：中位数TM、上四分位数FU、下四分位数FL和四分位数离散度dF。

假设某一时刻测量时八个温度传感器测得的结果，按从小到大的顺序排列为：

T1,T2,…,T8。

则T1称为测量列的下极限，T8称为上极限。

定义中位数(也称中值)TM为这列从小到大顺序排列的数中处在中间位置的一个数，如果数据总数是奇数，且数据无重复，则中位数就是最中间的那一个数；如果数据总数是偶数，且数据无重复，则中位数等于最中间的两个数的算术平均值。

然后再计算上四分位数FU为区间[TM,T8]的中位数，下四分位数FL为区间[T1,TM]的中位数。四分位数离散度为：

dF＝FU-FL (2)

认定那些测得的排烟温度中与中位数的距离大于αdF的数据为离异数据，即无效数据的判别区间为：

|Ti-TM|＞αdF (3)

式中，α为常数，其大小视系统的精度要求而定，一般可取为0.5、1.0、2.0等值。

测量数据序列剔除了疏失误差后，余下的数据被认为是有效的一致性测量数据，就可对它们进行数据融合处理。

2、数据的融合

由于都采用等精度的传感器测量，因此运行参数及测量噪声可以认为是正态分布的，数据的融合可以采用算术平均值算法与分批估计相结合的融合算法。具体方法是：对经一致性检验后得到的排烟温度测量序列，按照序号的奇偶性的原则分为两组，即传感器1、传感器3、传感器5、传感器7为第一组；传感器2、传感器4、传感器6、传感器8为第二组，对两组测量数据的算术平均值采用分批估计算法，估计出接近温度真实值的融合值，从而得到排烟温度的准确测量结果，消除测量过程中的不确定性。

假设第一组一致性排烟温度测量序列为：

T₁₁，T₁₂，T₁₃，…,T_1m m≤4，

第二组一致性主蒸汽温度测量序列为：

T₂₁，T₂₂，T₂₃，…,T_2n n≤4，

两组一致性主蒸汽温度测量序列的算术平均值分别为：

相应的均方根差分别为：

假设排烟温度的真值为T_T，则排烟温度的测量方程可表示为：

T＝H+V (8)

式中，T为主蒸汽温度的测量值；H为系数矩阵；V为测量噪声。

采用分批估计算法，同时考虑第一组、第二组一致性排烟温度测量序列，测量方程(8)可变成：

式中，V₁、V₂分别为的测量噪声，即剩余误差，此时H为

测量噪声的协方差R为：

在分批估计的情况下，为同一批的两个测量数据，测量之前没有任何有关排烟温度的统计资料，即此前测量结果的方差P^-＝∞，即(P^-)^-1＝0。可以证明：

同样可以证明：

式(9)即为基于多传感器参数估计数据融合的排烟温度值。

传统的估计算法是建立在可靠的测量初值基础上的，没有可靠的测量初值，估计算法就失去了意义。基于算术平均值与分批估计相结合的数据融合方法，是在获得两组具有较高可靠性的测量数据即二个较可靠的测量初值的基础上，根据二者方差进行加权融合处理。由式(9)可见，方差大的测量数据赋予了较小的权数，而方差小的数据赋予了较大的权数，因此这种数据融合方法可以获得比算术平均值更可靠的测量结果。

理论与实际应用都证明，二组数据的误差越大，以式(9)的数据融合值为测量结果对误差的改善效果越明显；二组数据误差越小，数据融合相对算术平均值的优越性也越小。特殊情况下，当二者方差相等，即σ²T1＝σ²T2时，式(9)的计算实际上退化成为算术平均值的计算。

按照上述方法和步骤计算得到的采用数据融合的方式计算得到的能够综合反应燃气轮机实际运行状况的燃气轮机的平均排烟温度，已经去除了包含燃烧系统设备发生故障和热通道部件发生故障而导致的排烟温度异常，以及测量中存在的噪声，保留了排烟温度的真实信息，蕴含丰富的内涵，包括燃气轮机的负荷、IGV开度、大气环境参数等等。

基于以上物理规律、能量转换过程机理分析，处在工质-燃气流动的路径上游的燃烧系统设备如果发生故障，包括燃烧室点火故障、燃烧故障、压力波动大、燃气供气压力降低、燃气供气温度异常、燃气泄漏等，故障燃烧室中燃料化学能转化成热量的量减少，因此都有一个共同的特点：那就是排烟温度的分散度超过阈值，而且异常的排烟温度值比经数据融合处理的燃气轮机的平均排烟温度值低。

与此相反，如果处在工质-燃气流动的路径上游的燃烧系统设备正常，而处在工质-燃气流动的路径下游的热通道部件出现故障，包括喷嘴磨损腐蚀、透平叶片磨损腐蚀、喷嘴机械损伤、透平叶片机械损伤等故障，故障的喷嘴或透平叶片中燃气的热能转化成机械能的量减少，因此都有一个共同的特点：那就是排烟温度的分散度超过阈值，而且异常的排烟温度值比经数据融合处理的燃气轮机的平均排烟温度值高。

由此可得区分燃气轮机燃烧故障和热通道设备故障的诊断流程如图4所示。按照燃气轮机的工质燃气流动的路径，分析上游燃烧系统设备和下游热通道系统设备的工作机理，分析其中的物理规律、能量转换过程，以及能够反映这种物理规律、能量转换过程的特征参数，总结得到诊断策略。测量负荷、IGV开度和大气环境参数，采用热电偶传感器，测量燃气轮机排烟口周向分布的排烟温度，计算排烟温度的分散度。采用数据融合的方式计算能够综合反应燃气轮机实际运行状况的燃气轮机排烟温度。通过能够反映上游燃烧系统设备和下游热通道系统设备的工作物理规律、能量转换过程的特征参数，按照诊断策略进行诊断。

Claims (7)

1.一种区分燃气轮机燃烧故障和热通道设备故障的诊断方法，其特征在于，按照燃气轮机的工质-燃气流动的路径，以燃气轮机的工质-燃气流经的上游燃烧系统设备和下游热通道系统设备的工作机理为理论基础，分析物理规律、能量转换过程以及能够反映物理规律、能量转换过程的特征参数，得到区分燃气轮机燃烧系统设备故障和热通道系统设备故障的诊断策略；

通过测量燃气轮机排烟口周向分布的排烟温度，计算燃气轮机排烟温度的分散度；采用数据融合处理的方式计算得到能够综合反应燃气轮机实际运行状况的燃气轮机平均排烟温度，用诊断策略区分燃气轮机燃烧系统设备故障和热通道系统设备故障。

2.根据权利要求1所述的区分燃气轮机燃烧故障和热通道设备故障的诊断方法，其特征在于，当燃气轮机排烟温度的分散度不超过阀值时，则燃气轮机处于正常状态；当燃气轮机排烟温度的分散度超过阀值且异常的排烟温度不高于经数据整合处理的燃气轮机平均排烟温度时，则燃气轮机燃烧系统设备发生故障；当燃气轮机排烟温度的分散度超过阀值且异常的排烟温度高于经数据整合处理的燃气轮机平均排烟温度时，则燃气轮机的热通道系统设备发生故障。

3.根据权利要求1或2所述的区分燃气轮机燃烧故障和热通道设备故障的诊断方法，其特征在于，采用热电偶传感器测量燃气轮机排烟口周向分布的排烟温度。

4.根据权利要求3所述的区分燃气轮机燃烧故障和热通道设备故障的诊断方法，其特征在于，所述热电偶传感器的位置与燃烧器对应的位置存在偏转，其偏转程度与燃气轮机的负荷、IGV开度和大气环境参数有关，通过测量燃气轮机的负荷、IGV开度和大气环境参数进行修正。

5.根据权利要求1或2所述的区分燃气轮机燃烧故障和热通道设备故障的诊断方法，其特征在于，采用数据融合处理得到的能够综合反应燃气轮机实际运行状况的燃气轮机平均排烟温度，其已去除包含燃烧系统设备发生故障和热通道系统设备发生故障而导致的排烟温度异常，以及测量中存在的噪声，保留排烟温度的真实信息，包括燃气轮机的负荷、IGV开度和大气环境参数。

6.根据权利要求1或2所述的区分燃气轮机燃烧故障和热通道设备故障的诊断方法，其特征在于，所述的数据融合处理包括测量排烟温度的一致性检验和数据的融合；测量排烟温度的一致性检验时，在传感器数量有限的情况下，利用数据探测技术中的分布图法剔除误差；数据的融合采用算术平均值算法与分批估计相结合的融合算法。

7.根据权利要求6所述的区分燃气轮机燃烧故障和热通道设备故障的诊断方法，其特征在于，所述数据的融合，其具体内容为：对经一致性检验后得到的排烟温度测量序列，按照序号的奇偶性的原则分为两组，对两组测量数据的算术平均值采用分批估计算法，估计出接近温度真实值的融合值，从而得到排烟温度的准确测量结果，消除测量过程中的不确定性。