CN110726471A - 一种适用于燃气轮机燃烧室振动的监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种适用于燃气轮机燃烧室振动的监测装置及监测方法，包括运算器、警报单元和若干个振动传感器；若干个振动传感器沿圆周方向布置在燃烧室内壳的外侧壁上，所述若干个振动传感器和警报单元均与运算器连接；所述振动传感器用于采集燃烧室的振动信号，并将采集到的振动信号传输到运算器，所述运算器用于对接收到的振动信号进行处理，判断燃烧室运行时的振动情况，进而控制警报单元进行报警；本发明能够更加准确的判断燃气轮机运行时燃烧室的振动情况，可以在出现故障预警即振动过大时，有助于准确判断振动故障具体位置，从而为检修工作提供指导。

Description

一种适用于燃气轮机燃烧室振动的监测装置及监测方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，特别涉及一种适用于燃气轮机燃烧室振动的监测装置及监测方法。

背景技术

燃气轮机是以高温燃气推动涡轮机械连续做功的大功率、高性能动力机械。燃气轮机由压气机，燃烧室，透平等三大主要部件组成。在燃气轮机运行过程中，燃气轮机受热及旋转组件(如燃烧室、透平叶片等)需要承受高压、高温以及剧烈振动等冲击，导致其微观结构出现变化，严重时会出现导致停机的安全事故。因此必须采取措施对这些组件的振动情况予以持续的监测，以判断并预警可能出现的影响运行安全的问题。目前，各大燃气轮机制造厂商普遍采用单个振动传感器来监测单个燃烧室振动情况，获得的振动信息有限，仅能反映燃烧室整体振动情况，在振动过大时，无法判断具体位置，对于燃气轮机检修要求较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于燃气轮机燃烧室振动的监测装置及监测方法，解决了现有的各大燃气轮机厂商采用监测单个燃烧室的振动情况来获取整个燃烧室的整体振动情况，导致存在无法判断具体位置，对于燃气轮机检修要求较高的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种适用于燃气轮机燃烧室振动的监测装置，包括运算器、警报单元和若干个振动传感器；若干个振动传感器沿圆周方向布置在燃烧室内壳的外侧壁上，所述若干个振动传感器和警报单元均与运算器连接；所述振动传感器用于采集燃烧室的振动信号，并将采集到的振动信号传输到运算器，所述运算器用于对接收到的振动信号进行处理，判断燃烧室运行时的振动情况，进而控制警报单元进行报警。

优选地，所述振动传感器布置在燃气轮机燃烧室出口端一侧。

优选地，所述振动传感器与燃气轮机燃烧室出口之间的垂直距离为5-10cm。

一种适用于燃气轮机燃烧室振动的监测方法，基于所述得一种适用于燃气轮机燃烧室振动的监测装置，包括以下步骤：

步骤1，运算器采集每个振动传感器的振动信号先进行放大再转换为数字信号，并对转换后的数字信号进行数字滤波处理；

步骤2，在步骤1滤波处理后得到的传感器振动信号中，分别参考传感器自身历史趋势以及不同传感器振动信号之间差异，计算均一化振动参数；

步骤3，根据步骤2得到的每个振动传感器(18)的均一化振动参数判断燃烧室运行时的振动情况，进而控制警报单元进行报警。

优选地，在步骤1滤波处理后得到的振动信号中，分别参考传感器自身历史趋势以及不同传感器振动信号之间差异，计算均一化振动参数，具体方法是：

S1，对步骤1滤波处理后得到的传感器振动信号参考历史数据上下限进行均一化处理。

S2，在步骤1滤波处理后得到的全部传感器振动信号中选取同一时刻的振动信号进行计算四分位距，并根据得到的四分位距、第三四分位和第一四分位计算该同一时刻的振动信号的上下限值；

S3，根据S2中得到的同一时刻的振动信号的上下限值将该同一时刻的不同传感器振动信号进行均一化处理；

S4，根据S1以及S3得到的均一化后的振动信号计算每个振动传感器(18)的均一化振动参数。

优选地，步骤3中，判断燃烧室运行时的振动情况，具体的判断方法是：

当均一化振动参数大于0.8，或均一化振动参数小于0.2，且持续时间高于5分钟时，则代表该振动传感器对应的区域振动不正常，通过警报单元发出警告；

当均一化振动参数大于0.95，且持续时间高于30秒时，则代表该振动传感器对应的区域振动过大，通过警报单元并提示采取停机检修措施。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种适用于燃气轮机燃烧室振动的监测装置，通过安装一组振动传感器，对比同一振动传感器振动信号的历史趋势，以及同一时刻不同振动传感器振动信号之间的差异，能够更加准确的判断燃气轮机运行时燃烧室的振动情况，在发生振动不正常的现象时，有助于判断出是具体哪个区域振动不正常，从而为检修工作提供指导；本发明结构简单，易于实现；本发明相对于传统采用单一振动传感器的方式，能够更加准确的判断燃气轮机运行时燃烧室的振动情况，可以在出现故障预警即振动过大时时，有助于准确判断振动故障具体位置。

本发明提供的一种适用于燃气轮机燃烧室振动的监测方法，通过布置于燃烧室上的多组振动传感器收集振动信号，对这些振动信号进行滤波减少噪声信号干扰，通过计算包含同一振动传感器历史信息以及同一时刻不同振动传感器之间差异的归一化振动参数，建立燃气轮机振动预警判据；本发明能够更加准确的判断燃气轮机运行时燃烧室的振动情况，可以在出现故障预警即振动过大时时，有助于准确判断振动故障具体位置，从而为检修工作提供指导。

附图说明

图1是燃气轮机燃烧室振动监测装置布置示意图；

图2是燃气轮机燃烧室振动监测装置系统示意图；

图3是振动传感器布置示意图；

图4是燃气轮机燃烧室振动监测方法流程示意图；

图5是燃气轮机燃烧室剖面示意图；

图6是燃气轮机燃烧室振动传感器实时监测曲线；

其中，11、燃烧室内腔13、燃烧室承压外壳14、压缩空气通道15、燃烧室内壳18、振动传感器33、燃烧室排气。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

如图1至图6所示，本发明提供的一种适用于燃气轮机燃烧室振动的监测装置，所述燃气轮机燃烧室为双壳结构，包括承压外壳13、燃烧室内壳15和压缩空气通道14，其中，承压外壳13套装在燃烧室内壳15上，两者之间设置有空隙，所述空隙为压缩空气通道14。

燃烧室内壳15的外侧壁上沿其圆周方向布置有若干个振动传感器18，所述若干个振动传感器18均与运算器连接。

运算器由若干个放大电路，若干个模/数转换电路，一个单片机组成。其中放大电路以及模/数转换电路数目对应振动传感器数目。一个放大电路以及模/数转换电路对应一个振动传感器，若干个模/数转换电路汇集至一个单片机上。放大电路将振动传感器输出的电压信号进行放大以满足模/数转换电路的分辨率要求，模/数转换电路将模拟的电压信号转换为数字信号传输至单片机进行处理，单片机可以采用ARM架构的高性能微控制器，以实现数字滤波、高性能实时数学运算等功能。在燃气轮机燃烧室振动情况出现异常时，由运算器提供信号给警报单元发出警报，提醒运行人员注意。

所述振动传感器18布置在燃气轮机燃烧室出口端一侧，其与燃气轮机燃烧室出口之间的垂直距离为5-10cm。

所述燃烧室内壳15的内侧壁覆盖有耐热材料。

在燃气轮机运行时，压缩空气温度远低于燃烧室内腔11由于燃料燃烧形成的高温，并且燃烧室内壁15还覆盖有耐热材料，因此，振动传感器18仅需采用仪表空气进行冷却，以防止其高温失效。

振动监测传感器布置形式可以采用如图3所示的8个振动传感器沿燃烧室圆周均匀布置。

该燃气轮机燃烧室振动监测装置系统独立于燃气轮机控制系统之外，可以较为方便的在现有燃气轮机上进行改装。

一种适用于燃气轮机燃烧室振动的监测方法，包括以下步骤：

步骤1，采集振动传感器18的振动信号先进行放大再转换为数字信号，并对转换后的数字信号进行数字滤波处理，用以滤除噪声信号减少干扰；

步骤2，对步骤1中得到的经滤波的振动信号进行均一化处理，如公式(1)所示：

式中，S_i为第i个振动传感器采集的振动信号，

为均一化后的振动信号，S_i,min，S_i,max分别为该第i个振动传感器采集的振动信号最小值及最大值，这些上下限可以由经验得出或者根据一段时间(不少于1000小时)正常运行的数据得出，其中，如果

大于1则取值为1，如果

小于0则取值为0。

步骤3，选取同一时刻的经滤波的全部传感器振动信号进行计算四分位距(interquartile range,IQR)，如公式(2)所示：

iqr＝SS(75)-SS(25) (2)

式中，iqr为四分位距，SS(75)、SS(25)分别代表第三四分位(即75％N)，第一四分位(即25％N)的信号，N为振动传感器个数。

确定振动信号的上下限SS_max，SS_min，如公式(3)，(4)所示：

SS_min＝SS(25)-iqr×c (3)

SS_max＝SS(75)+iqr×c (4)

式中，c为可调参数，一般取值1.5。

再对每一个振动传感器18采集的经滤波的振动信号进行均一化处理，如公式(5)所示：

式中，

为均一化后的振动信号；如果

大于1则取值为1，如果小于0则取值为0；

步骤2、步骤3主要是通过将振动信号分别参考自身历史数据以及不同传感器振动信号之间的差异进行均一化，在同一尺度下，建立可以叠加计算的参数。

步骤4，计算每个振动传感器18的均一化振动参数

如公式(6)所示：

式中，a为可调参数，一般取值0.5，随着燃气轮机正常运行时间逐渐增长，可以适当减小a。

该步骤通过叠加同一传感器分别经过步骤2，步骤3建立的均一化参数，建立了包含同一传感器历史数据对比以及不同传感器之间对比的均一化判断参数。

步骤5，根据振动传感器18的均一化振动参数判断燃烧室运行时的振动情况：

当

或者

且持续时间高于5分钟时，则代表该振动传感器对应的区域振动不正常，设置警告；

当

且持续时间高于30秒时，则代表该振动传感器对应的区域振动过大，设置警告并提示采取停机检修措施。

步骤1通过滤波平滑燃气轮机自身正常运行造成的噪声，为后面进一步处理奠定基础。步骤2、步骤3主要是通过将振动信号分别参考自身历史数据以及不同传感器振动信号之间的差异进行均一化，在同一尺度下，建立可以叠加计算的参数。步骤4则根据同一传感器分别经过步骤2，步骤3建立的均一化参数，建立了包含同一传感器历史数据对比以及不同传感器之间对比的均一化判断参数。步骤5则根据判断规则，具体判断震动情况。

实施例一：

振动传感器安装位置示意图如图3所示，在燃气轮机正常启动之后，实时监测全部振动传感器归一化信号。

如图6所示，在t时刻，计算所得振动传感器3归一化信号出现显著变化，平均值超过0.84，且持续时间超过5分钟，表明该振动传感器燃烧室内壁有可能出现结构变化。

停机检修，发现燃烧室火焰筒与混合腔配合部分对应振动传感器3区域由于振动磨损严重，如表1所示，火焰筒与混合腔间隙值远小于标准值。另外，可见振动传感器1对应的区域也出现振动磨损，反映在归一化信号发生一定变化，但持续时间不高于5分钟，未超过报警水平。

表1检修测量火焰筒与混合腔配合部分振动磨损数值

Claims (6)

1.一种适用于燃气轮机燃烧室振动的监测装置，其特征在于，包括运算器、警报单元和若干个振动传感器；若干个振动传感器(18)沿圆周方向布置在燃烧室内壳(15)的外侧壁上，所述若干个振动传感器(18)和警报单元均与运算器连接；所述振动传感器(18)用于采集燃烧室的振动信号，并将采集到的振动信号传输到运算器，所述运算器用于对接收到的振动信号进行处理，判断燃烧室运行时的振动情况，进而控制警报单元进行报警。

2.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机燃烧室振动的监测装置，其特征在于，所述振动传感器(18)布置在燃气轮机燃烧室出口端一侧。

3.根据权利要求2所述的一种适用于燃气轮机燃烧室振动的监测装置，其特征在于，所述振动传感器(18)与燃气轮机燃烧室出口之间的垂直距离为5-10cm。

4.一种适用于燃气轮机燃烧室振动的监测方法，其特征在于，基于权利要求1-3中任一项所述得一种适用于燃气轮机燃烧室振动的监测装置，包括以下步骤：

步骤1，运算器采集每个振动传感器(18)的振动信号先进行放大再转换为数字信号，并对转换后的数字信号进行数字滤波处理；

步骤2，在步骤1滤波处理后得到的传感器振动信号中，分别参考传感器自身历史趋势以及不同传感器振动信号之间差异，计算均一化振动参数；

步骤3，根据步骤2得到的每个振动传感器(18)的均一化振动参数判断燃烧室运行时的振动情况，进而控制警报单元进行报警。

5.根据权利要求4所述的一种适用于燃气轮机燃烧室振动的监测方法，其特征在于，在步骤1滤波处理后得到的振动信号中，分别参考传感器自身历史趋势以及不同传感器振动信号之间差异，计算均一化振动参数，具体方法是：

S1，对步骤1滤波处理后得到的传感器振动信号参考历史数据上下限进行均一化处理。

S2，在步骤1滤波处理后得到的全部传感器振动信号中选取同一时刻的振动信号进行计算四分位距，并根据得到的四分位距、第三四分位和第一四分位计算该同一时刻的振动信号的上下限值；

S3，根据S2中得到的同一时刻的振动信号的上下限值将该同一时刻的不同传感器振动信号进行均一化处理；

S4，根据S1以及S3得到的均一化后的振动信号计算每个振动传感器(18)的均一化振动参数。

6.根据权利要求4所述的一种适用于燃气轮机燃烧室振动的监测方法，其特征在于，步骤3中，判断燃烧室运行时的振动情况，具体的判断方法是：

当均一化振动参数大于0.8，或均一化振动参数小于0.2，且持续时间高于5分钟时，则代表该振动传感器对应的区域振动不正常，通过警报单元发出警告；

当均一化振动参数大于0.95，且持续时间高于30秒时，则代表该振动传感器对应的区域振动过大，通过警报单元并提示采取停机检修措施。

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