CN109916532A - 一种基于tdlas技术的燃气轮机燃烧温度监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于TDLAS技术的燃气轮机燃烧温度监测系统，包括依次连接的激光发射模块、激光传输模块、激光数据分析处理模块和温度显示模块。工作时，通过激光发射模块产生所需入射激光；通过激光传输模块传输入射激光和经过燃气轮机燃烧室流场吸收后的激光，并将激光信号转化为电信号；通过激光数据分析处理模块分析提取有效电信号，反演燃烧温度；通过温度显示模块实时显示燃烧室流场温度。本发明采用光学非接触式燃烧温度测量方法测量燃气轮机燃烧温度，相对燃气轮机现有燃烧温度测量系统，具有测量范围广、不干扰流场、测量精度高等优点。
Description
技术领域
本发明属于燃气轮机技术领域，尤其涉及一种基于TDLAS技术的燃气轮机燃烧温度监测系统。
背景技术
燃烧温度是影响燃气轮机燃烧效率和污染物排放的重要因素，实现燃烧温度的精确监测，有助于实现燃气轮机燃烧过程精准控制，确保热通道部件运行安全、提升燃烧调整效果。
在役燃气轮机的温度监测系统主要由热电偶组成，其测点布置在透平排气段，无法直接获取燃气轮机燃烧温度。若要获取燃气轮机燃烧室出口温度，只能根据热电偶监测的透平排气温度，利用经验公式，结合压气机压比、大气温度等参数估算燃烧室出口温度。
上述在役燃气轮机燃烧室出口温度的估算方法，涉及大量经验系数和修正参数，在役燃气轮机实际运行中普遍存在以下问题：
(1)温度精准控制问题。现有温度控制系统通过监测的透平出口温度结合经验公式估算的燃烧室出口温度，与机组实际运行状况存在一定偏差，导致燃气轮机燃烧控制系统难以准确判断燃烧超温，不能实现小区间自适应性快速精确调整；燃气轮机燃烧控制系统难以准确进行燃烧模式切换和燃料量分配，易发生燃烧不稳定现象；燃气轮机控制系统难以准确修订调整燃烧控制参数，燃机运行时的燃烧自适应调整效果以及燃机检修过程中的人工燃烧调整效果均不能达到最佳状态。
(2)时滞性问题。现有燃烧温度监测系统不能直接测量燃烧室出口温度，需要通过处于燃烧室下游的透平出口温度来反推燃烧室出口温度，进而实现对燃气轮机燃烧室出口温度的控制，其控制过程存在时滞性。例如，当燃气轮机燃烧室出口发生超温现象，威胁到透平叶片时，燃气轮机控制系统，只有先通过现有温度监测系统的监测结果分析透平出口温度，再通过经验公式等方法进一步判断燃烧室出口温度是否超温，然后再实施燃烧温度控制措施，实现对燃气轮机透平叶片的保护，其需要通过监测燃烧室下游的温度反推燃烧室出口的温度，存在时滞性，不能实时控制燃烧温度，进而实时保护燃烧室下游的透平部件。
研究发现基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode LaserAbsorption Spectroscopy，TDLAS)不需要直接接触高温燃气，具有测量精度高、响应快、对燃烧室流场无干扰等优势，能在线监测0～3000K范围内燃烧流场温度，非常适用于燃气轮机燃烧温度在线监测。
发明内容
为了解决现有燃气轮机监测系统无法直接监测燃气轮机燃烧室燃烧温度的问题，并实现燃气轮机燃烧温度在线监测，本发明提供了一种基于TDLAS技术的燃气轮机燃烧温度监测系统，该系统基于TDLAS双线测温原理，利用两只激光器输出可被水蒸汽吸收的且不同波长的激光谱线，并利用激光耦合器将两束激光耦合为一组激光，使耦合后的激光穿过燃烧室流场，再利用光电探测器将吸收后的激光光谱信号转换为电信号，通过温度反演模块，测量分析吸收谱线的强度，获取燃烧温度。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种基于TDLAS技术的燃气轮机燃烧温度监测系统，包括激光发射模块、激光传输模块、激光数据分析处理模块以及温度显示模块；其中，
所述激光发射模块的输出端与激光传输模块的输入端相连接；所述激光传输模块输出端与激光数据分析处理模块的输入端相连接，激光数据分析处理模块的输出端与温度显示模块的输入端相连接；激光发射模块用于产生所需入射激光，通过激光传输模块传输入射激光和穿过燃烧流场的激光吸收光谱信号，并将激光吸收光谱信号转化为电信号；激光数据分析处理模块用于分析提取有效电信号，反演燃烧温度，并传输至温度显示模块。
本发明进一步的改进在于，激光发射模块包括激光电流源a、激光温控源a、激光电流源b、激光温控源b、激光器a、激光器b以及光纤耦合器；其中，激光电流源a用于输出电流信号和分析解调用的一次谐波信号来驱动所述激光器a发射激光，激光温控源a用于控制激光器a温度，确保激光器a所发射的激光波长恒定；激光电流源b用于输出电流信号和分析解调用的一次谐波信号来驱动所述激光器b发射激光，激光温控源b用于控制激光器b的温度，确保激光器b所发射的激光波长恒定；光纤耦合器用于将激光器a和激光器b发射的激光耦合为一束激光，并将耦合后的激光经光纤传输至激光传输模块。
本发明进一步的改进在于，所述激光传输模块包括光纤、数据传输线、激光准直器、准直器冷却套筒、光电探测器以及光电探测器冷却套筒；其中，光纤与激光准直器相连接，激光准直器固定在准直器冷却套筒内；光电探测器固定在光电探测器冷却套筒内，且激光准直器和光电探测器分别设置在燃气轮机燃烧室流场相对的两侧；光电探测器通过数据传输线与激光数据分析处理模块相连接。
本发明进一步的改进在于，激光准直器以及光电探测器安装在燃气轮机燃烧室过渡段出口位置；激光准直器与光电探测器的连线垂直于流体流动方向，且平行于燃气轮机过渡段出口平面。
本发明进一步的改进在于，所述准直器冷却套筒包括冷却套筒外套以及套装在冷却套筒外套内的冷却套筒内衬，冷却套筒内衬的底部与冷却套筒外套的底部设置有耐高温石英玻璃，冷却套筒外套的顶部设置有冷却套筒盖板，冷却套筒内衬的顶部设置有冷却套筒密封盖板，冷却套筒外套与冷却套筒内衬之间以及冷却套筒盖板与冷却套筒密封盖板之间形成冷却腔体，且冷却套筒盖板上设置有与该冷却腔体连通的冷却水出口a、冷却水出口b和冷却水入口；其中，光纤经冷却水入口和冷却套筒盖板，穿过密封盖板，与激光准直器一起固定在冷却套筒内衬内；冷却水能够经冷却水入口流入由冷却套盖板和密封板组成的流道，进入由冷却套筒外套以及冷却套筒内衬组成的流道，对单模光纤、激光准直器和冷却套筒进行冷却，再经冷却水出口a、冷却水出口b流出。
本发明进一步的改进在于，冷却套筒内衬设置有定位肋条，用于防止激光准直器和光电探测器与石英玻璃直接接触；
耐高温石英玻璃耐高温石英玻璃呈“凸”字形，与冷却套筒外套一起配合，用于防止石英玻璃脱落；冷却套筒外套设置有定位肋条，与“凸”字形石英玻璃一起配合，用于防止石英玻璃脱落。
本发明进一步的改进在于，光电探测器冷却套筒与准直器冷却套筒的结构原理相同。
本发明进一步的改进在于，所述激光数据分析处理模块包括依次连接的锁相放大器、数据采集仪以及燃烧温度反演模块；其中锁相放大器用于接收光电探测器转化的电信号，并对其进行锁相放大处理，将处理后的电压信号传输给数据采集仪；数据采集仪用于将经过锁相放大器传输的信号进行滤波处理，从而完成激光吸收光谱信号的提取；燃烧温度反演模块用于分析数据采集仪输出的信号，并将其转化为流场温度值，输出给温度显示模块。
本发明进一步的改进在于，所述温度显示模块，由LED显示屏组成，用于实时显示燃气轮机过渡段出口温度，并具备超值预警功能。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种基于TDLAS技术的燃气轮机燃烧温度监测系统，基于双线测温原理，利用两只激光器输出可被水蒸汽吸收的且不同波长的激光谱线，并利用耦合器将其耦合为一组激光，使其穿过燃烧室温度场，再利用光电探测器将吸收后的激光光谱信号转换为电信号，通过温度反演模块，测量分析吸收谱线的强度，获取燃烧温度。本发明提出的燃气轮机燃烧温度监测系统，可直接获取燃烧室的燃烧温度，相对现有的燃气轮机温度监测系统，无需利用燃烧室下游的温度反推燃烧室燃烧温度，避免了由经验推算造成的误差，并解决了现有温度监测系统燃烧温度控制的时滞性问题。在燃烧温度监测过程中，本发明使用激光温控源控制激光器温度，保持激光器输出波长恒定，确保激光可被燃烧室内的水蒸汽有效吸收，且整体测量方案基于TDLAS双线测温原理避免了燃气轮机燃烧室内部参数波动对系统测量精度的干扰，测量精度高。在燃烧温度监测过程中，本发明提出的激光准直器的冷却套筒及光电探测器的冷却套筒布置在燃烧室外，无需伸入燃烧室内，相对传统的接触式温度测量装置，不会干扰燃烧室内部流场；与激光准直器连接的光纤以及与光电探测器连接的数据线直接埋入冷却套筒进水管内，为光纤及数据电缆提供冷却保护，可确保该光纤及数据线在压气机排气高温环境下正常工作；激光准直器及光电探测器，直接固定在冷却套筒内部，由冷却水降低套筒的温度，间接冷却激光准直器及光电探测器，可确保激光准直器及光电探测器正常工作。
进一步，光纤穿过冷却套筒密封盖板密封后，密封盖板上的光纤孔在穿过光纤后用耐高温硅胶垫片进行密封，确保冷却水不会进入冷却套筒内筒；冷却套筒的进水管和出水管均为柔性管，可任意弯曲。
进一步，冷却套筒外筒石英玻璃端设有安装外螺纹，其可螺纹连接在燃气轮机燃烧室过渡段；光电探测器冷却套筒内的石英玻璃以及激光准直器冷却套筒内的石英玻璃均为耐高温石英玻璃，其不会被高温高压燃气腐蚀及破环；
进一步，冷却套筒内衬设置有定位肋条，可防止激光准直器和光电探测器与石英玻璃直接接触，损伤石英玻璃，影响光学测量结果；
进一步，耐高温石英玻璃为“凸”字形，与冷却套筒外套一起配合，可防止石英玻璃脱落；冷却套筒外套设置有定位肋条，与“凸”字形石英玻璃一起配合，可防止石英玻璃脱落。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明中冷却套筒的立体图。
图3为本发明中冷却套筒的结构示意图，其中，图3(a)为冷却套筒的俯视图，图3(b)为图3(a)的A-A向剖视图，图3(c)为图3(a)的B-B向剖视图，图3(d)为图3(b)的C-C向剖视图。
图4为本发明实施例示意图。
附图标记说明：
1.激光发射模块；11.激光电流源a；12.激光温控源a；13.激光电流源b；14.激光温控源b；15.激光器a；16激光器b；17.激光耦合器；2.激光传输模块；21.光纤；22.数据线；23.激光准直器；24.准直器冷却套筒；25.光电探测器；26.光电探测器冷却套筒；3.激光数据分析处理模块；31.数据采集仪；32.锁相放大器；33.燃烧温度反演模块；4.温度显示模块；241.冷却水出口a；242.冷却水出口b；243.冷却水入口；244.冷却套筒外套；245.冷却套筒盖板；246.密封盖板；247.冷却套筒内衬；248.耐高温石英玻璃。
具体实施方式
本发明的应用领域是如图4所示的燃气轮机燃烧温度在线监测装置。下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步描述，但本发明不限于此实施例。
如图1至图3所示，本发明提供的一种基于TDLAS技术的燃气轮机燃烧温度监测系统，包括激光发射模块1、激光传输模块2、激光数据分析处理模块3以及温度显示模块4。工作时，激光发射模块1发射激光，并通过激光传输模块2将激光穿过燃气轮机燃烧室流场，再通过激光数据分析处理模块3提取有效的激光吸收光谱数据，并对其进行反演得到燃气轮机燃烧温度，并将其传输至温度显示模块4。
所述激光发射模块11由激光电流源a11、激光温控源a12、激光电流源b13、激光温控源b14、激光器a15、激光器b16以及光纤耦合器17组成。其中激光电流源a11通过输出电流信号和分析解调用的一次谐波信号来驱动所述激光器a15发射激光，激光温控源a12控制激光器a15温度，确保激光器a15所发射的激光波长恒定；激光电流源b13通过输出电流信号和分析解调用的一次谐波信号来驱动所述激光器b16发射激光，激光温控源b14控制激光器b16的温度，确保激光器b16所发射的激光波长恒定；光纤耦合器17将激光器a15和激光器b16发射的激光耦合为一束激光，并耦合后的激光经光纤传输至激光传输模块2。
优选的，激光器15和激光器16均为可调谐二极管激光器，其可被燃气轮机燃烧室燃气有效吸收，且吸收后的激光光谱强度满足TDLAS燃烧温度监测系统的需求。
所述激光传输模块2由光纤21、数据线22、激光准直器23、准直器冷却套筒24、光电探测器25以及光电探测器冷却套筒26组成。其中，光纤21与激光准直器23相连接，光电探测器25通过数据线22与激光数据分析处理模块3相连接。
优选的，激光准直器23可将激光发射模块1发射的激光束转化为平行光。光电探测器25可有效接收穿过燃气轮机燃烧室的激光吸收光谱，并将其转化为电流信号。所述激光准直器23以及光电探测器25安装在燃气轮机燃烧室出口平面附近；激光准直器23与光电探测器25的连线垂直于燃烧室出口流体流动方向，且平行于燃气轮机燃烧室出口平面。激光准直器23和光电探测器25均设有准直器冷却套筒24和光电探测器冷却套筒26，且准直器冷却套筒24和光电探测器冷却套筒26均可对激光准直器及光电探测器进行水冷和氮气保护，可保障激光准直器24和光电探测器25长时间稳定工作。
所述激光数据分析处理模块3由锁相放大器31、数据采集仪32以及燃烧温度反演模块33组成。其中，锁相放大器31与光电探测器25通过数据线22相连，锁相放大器接收光电探测器25转化的电信号，并对其进行锁相放大处理，将其传输给数据采集仪32；数据采集仪32将经过锁相放大器31传输的信号进行滤波处理，从而完成激光吸收光谱信号的提取；燃烧温度反演模块33通过分析数据采集仪32输出的信号，并将其转化为流场温度值，输出给温度显示模块4。
所述温度显示模块4，可实时显示燃气轮机燃烧室出口(过渡段出口)温度，具备超值预警功能，并可将燃气轮机燃烧温度实时反馈给燃气轮机燃烧控制系统，有助于实现燃气轮机燃烧精确监测和精准控制，减少燃烧故障发生。
实施例
如图4所示，在燃气轮机燃烧室工作时，激光发射模块1和激光数据分析处理模块3布置于燃气轮机远端，激光准直器23及准直器冷却套筒24安装在燃气轮机燃烧室过渡段出口上端，激光准直器23的轴心与过渡段出口平面之间的距离为10mm，光电探测器25及光电探测器冷却套筒26安装在燃气轮机燃烧室过渡段出口下端，光电探测器25探测窗口的中心与过渡段出口平面之间的距离同样为10mm，激光准直器23与光电探测器25均垂直于燃气轮机燃烧室过渡段出口燃气流动方向。
优选的，激光电流源a11和激光温控源a12控制激光器a15，激光电流源b13和激光温控源b14控制激光器b16，由激光器a15和激光器b16发射两束可被燃气轮机燃烧室出口燃气有效吸收的单模激光，且两束激光经激光耦合器17耦合为1束激光，并通过单模光纤传输至激光准直器23，有激光准直器23将上述耦合后的激光转化为1束平行光。激光准直器23转化的平行光穿过燃烧流场，形成激光吸收光谱信号，由光电探测器25将激光吸收光谱信号转化为电信号，并通过数据线25传输至激光数据分析处理模块3，数据分析梳理模块中的锁相放大器31对其信号锁相放大分析处理，并将处理后的信号传输给数据采集仪32，数据采集仪32对获取的信号进行分析提取其中的有效信号，并将有效信号输入至燃烧温度反演模块33，燃烧温度反演模块33将电子信号转化为温度信号，实时传输至温度显示模块4，由温度显示模块4显示实时的燃烧温度，并将实时的燃烧温度传输至燃气轮机控制系统，燃气轮机控制系统直接以温度显示模块4的温度信号作为控制变量，控制燃气轮机燃烧室空气及燃料量，实现燃气轮机燃烧温度精准控制。
在TDLAS燃烧温度监测系统工作时，为确保激光准直器23和光电探测器25始终正常工作，由燃气轮机水冷系统引入冷却水，使用准直器冷却套筒24和光电探测器冷却套筒26，对其进行水冷。光纤21经冷却水入口243和冷却套筒盖板245，穿过密封盖板246，与激光准直器23一起固定在冷却套筒内衬247内。冷却水经冷却水入口243流入由冷却套筒盖板245和密封盖板246组成的流道，进入由冷却套筒外套244以及冷却套筒内衬247组成的流道，对光纤21、激光准直器23和准直器冷却套筒24进行冷却，确保光纤21和激光准直器23正常工作。
同理，为确保光电探测器25和数据线22始终工作在低温环境下，使用光电探测器冷却套筒26对其光电探测器25和数据线22进行水冷保护。光电探测器冷却套筒26的工作原理及结构图与准直器冷却套筒24类似，其外形尺寸与光电探测器类型相匹配。
Claims (9)
1.一种基于TDLAS技术的燃气轮机燃烧温度监测系统，其特征在于，包括激光发射模块(1)、激光传输模块(2)、激光数据分析处理模块(3)以及温度显示模块(4)；其中，
所述激光发射模块(1)的输出端与激光传输模块(2)的输入端相连接；所述激光传输模块(2)输出端与激光数据分析处理模块(3)的输入端相连接，激光数据分析处理模块(3)的输出端与温度显示模块(4)的输入端相连接；激光发射模块(1)用于产生所需入射激光，通过激光传输模块(2)传输入射激光和穿过燃烧流场的激光吸收光谱信号，并将激光吸收光谱信号转化为电信号；激光数据分析处理模块(3)用于分析提取有效电信号，反演燃烧温度，并传输至温度显示模块(4)。
2.根据权利要求1的一种基于TDLAS技术的燃气轮机燃烧温度监测系统，其特征在于，激光发射模块(1)包括激光电流源a(11)、激光温控源a(12)、激光电流源b(13)、激光温控源b(14)、激光器a(15)、激光器b(16)以及光纤耦合器(17)；其中，激光电流源a(11)用于输出电流信号和分析解调用的一次谐波信号来驱动所述激光器a(15)发射激光，激光温控源a(12)用于控制激光器a(15)温度，确保激光器a(15)所发射的激光波长恒定；激光电流源b(13)用于输出电流信号和分析解调用的一次谐波信号来驱动所述激光器b(16)发射激光，激光温控源b(14)用于控制激光器b(16)的温度，确保激光器b(16)所发射的激光波长恒定；光纤耦合器(17)用于将激光器a(15)和激光器b(16)发射的激光耦合为一束激光，并将耦合后的激光经光纤传输至激光传输模块(2)。
3.根据权利要求1的一种基于TDLAS技术的燃气轮机燃烧温度监测系统，其特征在于，所述激光传输模块(2)包括光纤(21)、数据传输线(22)、激光准直器(23)、准直器冷却套筒(24)、光电探测器(25)以及光电探测器冷却套筒(26)；其中，光纤(21)与激光准直器(23)相连接，激光准直器(23)固定在准直器冷却套筒(24)内；光电探测器(25)固定在光电探测器冷却套筒(26)内，且激光准直器(23)和光电探测器(25)分别设置在燃气轮机燃烧室流场相对的两侧；光电探测器(25)通过数据传输线(22)与激光数据分析处理模块(3)相连接。
4.根据权利要求3的一种基于TDLAS技术的燃气轮机燃烧温度监测系统，其特征在于，激光准直器(23)以及光电探测器(25)安装在燃气轮机燃烧室过渡段出口位置；激光准直器(23)与光电探测器(25)的连线垂直于流体流动方向，且平行于燃气轮机过渡段出口平面。
5.根据权利要求3的一种基于TDLAS技术的燃气轮机燃烧温度监测系统，其特征在于，所述准直器冷却套筒(24)包括冷却套筒外套(244)以及套装在冷却套筒外套(244)内的冷却套筒内衬(247)，冷却套筒内衬(247)的底部与冷却套筒外套(244)的底部设置有耐高温石英玻璃(248)，冷却套筒外套(244)的顶部设置有冷却套筒盖板(245)，冷却套筒内衬(247)的顶部设置有冷却套筒密封盖板(246)，冷却套筒外套(244)与冷却套筒内衬(247)之间以及冷却套筒盖板(245)与冷却套筒密封盖板(246)之间形成冷却腔体，且冷却套筒盖板(245)上设置有与该冷却腔体连通的冷却水出口a(241)、冷却水出口b(242)和冷却水入口(243)；其中，光纤(21)经冷却水入口(243)和冷却套筒盖板(245)，穿过密封盖板(246)，与激光准直器(23)一起固定在冷却套筒内衬(247)内；冷却水能够经冷却水入口(243)流入由冷却套盖板(245)和密封板(246)组成的流道，进入由冷却套筒外套(244)以及冷却套筒内衬组成的流道，对单模光纤(21)、激光准直器(23)和冷却套筒(24)进行冷却，再经冷却水出口a(241)、冷却水出口b(242)流出。
6.根据权利要求5的一种基于TDLAS技术的燃气轮机燃烧温度监测系统，其特征在于，冷却套筒内衬(247)设置有定位肋条，用于防止激光准直器(23)和光电探测器(25)与石英玻璃直接接触；
耐高温石英玻璃(248)耐高温石英玻璃呈“凸”字形，与冷却套筒外套(244)一起配合，用于防止石英玻璃脱落；冷却套筒外套(244)设置有定位肋条，与“凸”字形石英玻璃一起配合，用于防止石英玻璃脱落。
7.根据权利要求5的一种基于TDLAS技术的燃气轮机燃烧温度监测系统，其特征在于，光电探测器冷却套筒(26)与准直器冷却套筒(24)的结构原理相同。
8.根据权利要求3的一种基于TDLAS技术的燃气轮机燃烧温度监测系统，其特征在于，所述激光数据分析处理模块(3)包括依次连接的锁相放大器(31)、数据采集仪(32)以及燃烧温度反演模块(33)；其中锁相放大器(31)用于接收光电探测器(25)转化的电信号，并对其进行锁相放大处理，将处理后的电压信号传输给数据采集仪(32)；数据采集仪(32)用于将经过锁相放大器(31)传输的信号进行滤波处理，从而完成激光吸收光谱信号的提取；燃烧温度反演模块(33)用于分析数据采集仪(32)输出的信号，并将其转化为流场温度值，输出给温度显示模块(4)。
9.根据权利要求1的一种基于TDLAS技术的燃气轮机燃烧温度监测系统，其特征在于，所述温度显示模块(4)，由LED显示屏组成，用于实时显示燃气轮机过渡段出口温度，并具备超值预警功能。
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