CN111581891A - 一种燃气-蒸汽联合循环机组燃烧温度智能监测方法 - Google Patents

一种燃气-蒸汽联合循环机组燃烧温度智能监测方法 Download PDF

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Abstract

一种燃气‑蒸汽联合循环机组燃烧温度智能监测方法，包括：连续采集压气机、燃机的运行数据，在线计算燃机排烟中的氮气浓度以及各气体比焓与温度的回归关系式；建立在线采集数据的三级有效性检查；建立工质平衡模型，依据转子冷却风、喷嘴冷却风和静叶冷却风的比例确定进入燃烧室的空气量和排出燃烧室的烟气量，同时确定燃机进、出口烟气量；建立燃烧室的热平衡模型，计算燃烧室的净输入热量；建立压气机、燃烧室和燃机系统热平衡模型，并与燃烧室热平衡模型联立求解压气机进口空气流量和进入燃机的烟气比焓，由燃机进口烟气比焓计算出燃烧温度并实时输出。本发明可以提高燃机运行安全性、操控性以及实现性能在线监测，为优化运行提供支撑。

Description

一种燃气-蒸汽联合循环机组燃烧温度智能监测方法
技术领域
本发明属于电力及动力工程技术领域，具体涉及一种燃气-蒸汽联合循环机组燃烧温度智能监测方法。
背景技术
燃气-蒸汽联合循环发电机组的燃烧温度是该循环达到的最高温度，亦即燃机入口烟气温度。通过实时监测该温度值可以直观评价燃烧室及燃机的安全状况，同时也是联合循环效率在线监测所必需的重要参数。在燃机启停操作和低氮燃烧优化过程中，通过燃烧温度的控制可以确保燃机运行安全稳定，提高运行经济性和环保性。
由于系统燃烧温度高，一般在1300℃以上，直接测量困难，运行人员一般监控燃机排气温度，并基于该温度进行燃烧方式控制和运行调整，但该温度受到空气量、负荷和烟气物性等参数影响，不能准确评估燃烧室和第一级叶片的安全状况，因此实现燃烧温度的准确监测可以提高燃机运行安全性、操控性以及实现性能在线监测，为优化运行提供支撑。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种燃气-蒸汽联合循环机组燃烧温度智能监测方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种燃气-蒸汽联合循环机组燃烧温度智能监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：连续采集压气机、燃机的运行数据，在线计算燃机排烟中的氮气浓度以及建立空气、氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气比焓与温度的回归关系式；
步骤2：基于数据检索和支持向量机建立在线采集数据的三级有效性检查；
步骤3：根据压气机、燃烧室和燃机系统流程建立工质平衡模型，依据转子冷却风、喷嘴冷却风和静叶冷却风的比例确定进入燃烧室的空气量和排出燃烧室的烟气量，同时确定燃机进、出口烟气量；
步骤4：建立燃烧室的热平衡模型，计算燃烧室的净输入热量；建立压气机、燃烧室和燃机系统热平衡模型，并与燃烧室热平衡模型联立求解压气机进口空气流量和进入燃机的烟气比焓，由燃机进口烟气比焓计算出燃机进口烟气温度，即燃烧温度，将燃烧温度计算值实时输出，实现在线监测。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，所述步骤1中，压气机、燃机的运行数据包括：燃料流量；大气压力；压气机进口压力；压气机出口压力；燃机进口压力；燃机排气压力；压气机进口空气温度；压气机排气温度；燃烧参比温度；燃机排烟温度；燃机负荷；燃料低位热值；燃机排烟中二氧化碳、氧气、水蒸气的气体浓度。
进一步地，所述步骤1中，在线计算燃机排烟中的氮气浓度以及建立空气、氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气比焓与温度的回归关系式，具体如下：
燃机排烟中气体浓度总和为100％，计算出排烟中氮气浓度：
Figure BDA0002512694680000021
式中，
Figure BDA0002512694680000022
分别表示氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气的气体浓度；
依据物质比焓表回归二氧化碳、氧气、水蒸气、氮气的比焓随温度变化的关系式：
Figure BDA0002512694680000023
式中，
Figure BDA0002512694680000024
分别表示氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气的比焓，
Figure BDA0002512694680000025
Figure BDA0002512694680000026
表示温度，f表示比焓随温度变化的关系式。
进一步地，所述步骤2中，三级有效性检查依次包括量程范围检查、数据波动检查和参数关系检查。
进一步地，所述量程范围检查具体如下：设定下量程裕度S1和上量程裕度S2，当监测参数值高于下量程裕度与量程值的乘积S1×SP并且低于量程值减去量程值与上量程裕度乘积后的差值(1-S2)×SP时为有效，否则参数失效报警。
进一步地，所述数据波动检查具体如下：设定检查周期，应用对比检索方法搜寻参数在给定周期内最大波动值和最小波动值，该参数当前监测值在最小值和最大值之间范围内为有效，否则参数失效报警。
进一步地，所述数据波动检查具体如下：设定检查周期，应用对比检索方法搜寻参数在给定周期内最大波动值和最小波动值，该参数当前监测值在最小值和最大值之间范围内为有效，否则参数失效报警。
进一步地，所述参数关系检查具体如下：应用支持向量机算法建立相关参数的预测模型，如监测值与预测值相符，则监测结果有效，否则参数失效报警。
进一步地，所述步骤3具体如下：
1)根据燃机设计参数确定静叶冷却风比例B1、转子冷却风比例B2和第一级喷嘴冷却风B3，然后按下式计算静叶冷却风流量Wjc、转子冷却风流量Wzc和第一级喷嘴冷却风流量Wnc：
Figure BDA0002512694680000031
式中，Wci表示压气机进气流量；
2)根据质量平衡计算燃烧室进口空气流量Wbi、燃烧室出口烟气流量Wbe、燃机进口烟气流量Wti和燃机出口烟气流量Wte：
Figure BDA0002512694680000032
式中，WF表示燃料(天然气)流量。
进一步地，所述步骤4具体如下：
1)进行燃烧室热平衡计算，计算燃烧室输入热量Qci和输出热量Qco，其中，输入热量包括燃机进口空气焓、燃机进口燃料焓，燃料燃烧释放的化学，输出热量为燃机出口烟气焓：
Qci＝Wbi×(Hbi-HA，R)+WF×(HF-HF，R)+WF×LHV×ηb (5)
Qco＝(Wbi+WF)×(Hbe-HG；R) (6)
式中，Hbi表示燃烧室入口空气比焓，HA，R表示燃烧参比温度下空气比焓，HF表示燃料比焓，HF，R表示燃烧参比温度下燃料比焓，LHV表示燃料低位热值，ηb表示燃烧室燃烧效率，Hbe表示燃烧室出口烟气比焓；
根据输入热量与输出热量相等Qco＝Qci，获得燃烧室净输入热量Qbi的计算表达式：
Qbi＝Wbi×(Hbe-Hbi)+WF×(Hbe-HF) (7)
联立式(3)、(4)、(5)、(6)变换得到燃烧室净输入热量Qbi：
Qbi＝(Wci-Wjc-Wzc-Wnc)×(HG，R-HA，R)+WF×(HG，R-HF，R)+WF×LHV×ηb (8)
2)进行压气机-燃烧室-燃机系统热平衡计算，即系统输入热量包括压气机入口空气焓Hci、燃烧室净输入热量Qbi、燃料焓；系统输出热量包括燃机排烟焓Hte、燃机输出功率对应热量、转子冷却风的冷却器带走热量；系统输入热量之和与系统输出热量之和相等：
Wci×Hci+WF×HF+Qbi＝(Wci+WF)×Hte+Wzc×(Hce-Hze)+P/ηtj (9)
式中，Hce表示压气机排气比焓，Hze表示转子冷却风比焓，P表示燃机负荷，ηtj表示燃气轮机机械效率；
联立式(8)、(9)求解得到Wci和Qbi的值，并将Wci和Qbi的值代入式(6)计算排烟焓Hbe；
3)由于燃机进口烟气由燃烧室出口烟气和第一级喷嘴冷却风混合而成，因此热平衡方程如下：
Wbe×Hbe+Wnc×Hnc＝Wti×Hti (10)
式中，Hnc表示第一级喷嘴冷却风比焓，Hti表示燃机进口烟气比焓；
求解上述方程得到燃机进口烟气比焓Hti，根据如下烟气比焓计算公式计算出燃机进口烟气温度Tti：
Figure BDA0002512694680000041
式中，Tti表示燃机进口烟气温度。
本发明的有益效果是：本发明能够实现燃烧温度的准确监测，提高燃机运行安全性、操控性以及实现性能在线监测，为优化运行提供支撑。
附图说明
图1是燃机系统工质流程图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
一种燃气-蒸汽联合循环机组燃烧温度智能监测方法，包含以下内容：
1、连续采集压气机、燃气轮机的运行数据，如压气机进气压力、温度，压气机排气压力、温度，燃机功率，燃料(天然气)流量，燃机进气压力、排气压力，燃机排气温度，二氧化氮浓度，氧气浓度，水蒸气浓度；在线计算氮气浓度以及建立空气、氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气比焓与温度的回归关系式。
2、基于数据检索和支持向量机建立在线采集数据三级有效性检查，通过量程范围检查、数据波动检查和参数关系检查以确保采集数据准确可靠。
3、根据压气机、燃烧室和燃机系统流程建立工质平衡模型，依据转子冷却风、喷嘴冷却风和静叶冷却风的比例确定进入燃烧室的空气量和排出燃烧室的烟气量，同时确定燃机进、出口烟气量。
4、建立燃烧室的热平衡模型，计算燃烧室的净输入热量；建立压气机、燃烧室和燃机系统热平衡模型，并与燃烧室热平衡模型联立求解压气机进口空气流量和进入燃机的烟气比焓，由燃机进口烟气比焓计算出燃机进口烟气温度，即燃烧温度，将燃烧温度计算值实时输出，实现在线监测。
本实例基于东方三菱M701F4型燃气轮机，燃机工质流程为：
如图1所示，该系统中压气机各级(第6、11、14级)放气用作透平静叶冷却风，经过冷却后的部分压气机出口空气用作燃机静叶和转子冷却风，另一部分压气机出口空气直接用作透平第1级喷嘴前冷却风(见附图1)。燃烧室旁路总空气百分数B4为静叶冷却风比例(B1)、转子冷却风比例(B2)和第1级喷嘴冷却风比例(B3)之和，表示为：
B4＝B1+B2+B3
一、监测技术所用到的数据
表1在线采集的运行数据
Figure BDA0002512694680000051
Figure BDA0002512694680000061
表2在线计算或设定的物理量
Figure BDA0002512694680000062
Figure BDA0002512694680000071
二、煤质智能监测流程
(1)在线采集压气机、燃烧室和燃机运行数据：燃料(天然气)流量(WFv)；大气压力(Pa)；压气机进口压力(Pci)；压气机出口压力(Pco)；燃机进口压力(Pti)；燃机排气压力(Pte)；压气机进口空气温度(Tci)；压气机排气温度(Tce)；燃烧参比温度(TR)；燃机排烟温度(Tte)；燃机负荷(P)；燃料(天然气)低位热值(LHV)；燃机排烟中二氧化碳(CO2)、氧气(O2)、水蒸气(H2O)等气体浓度。
(2)燃机排烟中气体浓度总和为100％，可计算出排烟中氮气浓度，即
Figure BDA0002512694680000072
(3)依据物质比焓表回归空气、二氧化碳、氧气、水蒸气、氮气等各种气体的比焓随温度变化的关系式：
Figure BDA0002512694680000081
Figure BDA0002512694680000082
Figure BDA0002512694680000083
Figure BDA0002512694680000084
(4)进行在线采集数据三级有效性检查，先进行第一级检查--量程范围检查，设定下量程裕度(S1，一般设定10％，可调整)和上量程裕度(S2，一般设定10％，可调整)，当监测参数值高于下量程裕度与量程值的乘积(S1×SP)并且低于量程值减去量程值与上量程裕度乘积后的差值((1-S2)×SP)时为有效，否则参数失效报警；
(5)进行第二级检查--数据波动检查，设定检查周期(如1年，可调整)，应用对比检索方法搜寻参数在给定周期内最大波动值和最小波动值，该参数当前监测值在最小值和最大值之间范围(含最小值和最大值)内为有效，否则参数失效报警。
(6)进行第三级检查--参数关系检查，应用支持向量机算法建立相关参数的预测模型，如监测值与预测值相符，则监测结果有效，否则参数失效报警。
(7)计算静叶冷却风、转子冷却风和第一级喷嘴冷却风风量。根据燃机设计参数确定静叶冷却风比例B1、转子冷却风比例B2和第一级喷嘴冷却风B3，然后按下列公式计算各风量；另外，计算燃烧室进口空气流量、燃烧室出口烟气流量、燃机进口烟气流量和燃机出口烟气流量。
Wjc＝Wci×B1
Wzc＝Wci×B2
Wnc＝Wci×B3
Wbi＝Wci×(1-B1-B2-B3)
Wbe＝Wbi+WF
Wti＝Wbe+Wnc
Wte＝Wci+WF
(8)计算燃烧室输入热量，该热量包括燃机进口空气焓、燃机进口燃料(天然气)焓，燃料燃烧释放的化学热，计算公式如下：
Qci＝Wbi×(Hbi-HA，R)+WF×(HF-HF，R)+WF×LHV×ηb
(9)计算燃烧室输出热量，即燃机出口烟气焓，计算公式如下：
Qco＝(Wbi+WF)×(Hbe-HG，R)
(10)由燃烧室热平衡得到输入热量与输出热量相等，即
Qco＝Qci
(11)计算燃烧室净输入热量，计算公式如下：
Qbi＝Wbi×(Hbe-Hbi)+WF×(Hbe-HF)
(12)联立式(7)、(8)、(9)、(10)、(11)可变换燃烧室净输入热量表达式Qbi如下：
Qbi＝(Wci-Wjc-Wzc-Wnc)×(HG，R-HA，R)+WF×(HG，R-HF，R)+WF×LHV×ηb
(13)进行压气机-燃烧室-燃机系统热平衡计算，即系统输入热量包括压气机入口空气焓、燃烧室净输入热量、燃料焓；系统输出热量包括燃机排烟焓、燃机输出功率对应热量、转子冷却风的冷却器带走热量；通过系统输入热量之和与系统输出热量之和相等，计算公式如下。
Wci×Hci+WF×HF+Qbi＝(Wci+WF)×Hte+Wzc×(Hce-Hze)+P/ηtj
(14)联立式(12)和式(13)求解得到Wci和Qbi的值，并将Wci和Qbi的值代入式(9)可计算排烟焓Hbe。
(15)由于燃机进口烟气由燃烧室出口烟气和第一级喷嘴冷却风混合而成，因此热平衡方程如下：
Wbe×Hbe+Wnc×Hnc＝Wti×Hti
求解上述方程可得到燃机进口烟气比焓Hti，根据烟气比焓计算公式(如下)可计算出燃烧温度，即燃机进口烟气温度Tti：
Figure BDA0002512694680000091
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种燃气-蒸汽联合循环机组燃烧温度智能监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：连续采集压气机、燃机的运行数据，在线计算燃机排烟中的氮气浓度以及建立空气、氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气比焓与温度的回归关系式；
步骤2：基于数据检索和支持向量机建立在线采集数据的三级有效性检查；
步骤3：根据压气机、燃烧室和燃机系统流程建立工质平衡模型，依据转子冷却风、喷嘴冷却风和静叶冷却风的比例确定进入燃烧室的空气量和排出燃烧室的烟气量，同时确定燃机进、出口烟气量；
步骤4：建立燃烧室的热平衡模型，计算燃烧室的净输入热量；建立压气机、燃烧室和燃机系统热平衡模型，并与燃烧室热平衡模型联立求解压气机进口空气流量和进入燃机的烟气比焓，由燃机进口烟气比焓计算出燃机进口烟气温度，即燃烧温度，将燃烧温度计算值实时输出，实现在线监测。
2.如权利要求1所述的一种燃气-蒸汽联合循环机组燃烧温度智能监测方法，其特征在于：所述步骤1中，压气机、燃机的运行数据包括：燃料流量；大气压力；压气机进口压力；压气机出口压力；燃机进口压力；燃机排气压力；压气机进口空气温度；压气机排气温度；燃烧参比温度；燃机排烟温度；燃机负荷；燃料低位热值；燃机排烟中二氧化碳、氧气、水蒸气的气体浓度。
3.如权利要求1所述的一种燃气-蒸汽联合循环机组燃烧温度智能监测方法，其特征在于：所述步骤1中，在线计算燃机排烟中的氮气浓度以及建立空气、氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气比焓与温度的回归关系式，具体如下：
燃机排烟中气体浓度总和为100％，计算出排烟中氮气浓度：
Figure FDA0002512694670000011
式中，
Figure FDA0002512694670000012
分别表示氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气的气体浓度；
依据物质比焓表回归二氧化碳、氧气、水蒸气、氮气的比焓随温度变化的关系式：
Figure FDA0002512694670000013
式中，
Figure FDA0002512694670000014
分别表示氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气的比焓，
Figure FDA0002512694670000015
Figure FDA0002512694670000016
表示温度，f表示比焓随温度变化的关系式。
4.如权利要求1所述的一种燃气-蒸汽联合循环机组燃烧温度智能监测方法，其特征在于：所述步骤2中，三级有效性检查依次包括量程范围检查、数据波动检查和参数关系检查。
5.如权利要求4所述的一种燃气-蒸汽联合循环机组燃烧温度智能监测方法，其特征在于：所述量程范围检查具体如下：设定下量程裕度S1和上量程裕度S2，当监测参数值高于下量程裕度与量程值的乘积S1×SP并且低于量程值减去量程值与上量程裕度乘积后的差值(1-S2)×SP时为有效，否则参数失效报警。
6.如权利要求4所述的一种燃气-蒸汽联合循环机组燃烧温度智能监测方法，其特征在于：所述数据波动检查具体如下：设定检查周期，应用对比检索方法搜寻参数在给定周期内最大波动值和最小波动值，该参数当前监测值在最小值和最大值之间范围内为有效，否则参数失效报警。
7.如权利要求4所述的一种燃气-蒸汽联合循环机组燃烧温度智能监测方法，其特征在于：所述参数关系检查具体如下：应用支持向量机算法建立相关参数的预测模型，如监测值与预测值相符，则监测结果有效，否则参数失效报警。
8.如权利要求3所述的一种燃气-蒸汽联合循环机组燃烧温度智能监测方法，其特征在于：所述步骤3具体如下：
1)根据燃机设计参数确定静叶冷却风比例B1、转子冷却风比例B2和第一级喷嘴冷却风B3，然后按下式计算静叶冷却风流量Wjc、转子冷却风流量Wzc和第一级喷嘴冷却风流量Wnc：
Figure FDA0002512694670000021
式中，Wci表示压气机进气流量；
2)根据质量平衡计算燃烧室进口空气流量Wbi、燃烧室出口烟气流量Wbe、燃机进口烟气流量Wti和燃机出口烟气流量Wte：
Figure FDA0002512694670000022
式中，WF表示燃料流量。
9.如权利要求8所述的一种燃气-蒸汽联合循环机组燃烧温度智能监测方法，其特征在于：所述步骤4具体如下：
1)进行燃烧室热平衡计算，计算燃烧室输入热量Qci和输出热量Qco，其中，输入热量包括燃机进口空气焓、燃机进口燃料焓，燃料燃烧释放的化学，输出热量为燃机出口烟气焓：
Qci＝Wbi×(Hbi-HA，R)+WF×(HF-HF，R)+WF×LHV×ηb (5)
Qco＝(Wbi+WF)×(Hbe-HG，R) (6)
式中，Hbi表示燃烧室入口空气比焓，HA，R表示燃烧参比温度下空气比焓，HF表示燃料比焓，HF，R表示燃烧参比温度下燃料比焓，LHV表示燃料低位热值，ηb表示燃烧室燃烧效率，Hbe表示燃烧室出口烟气比焓；
根据输入热量与输出热量相等Qco＝Qci，获得燃烧室净输入热量Qbi的计算表达式：
Qbi＝Wbi×(Hbe-Hbi)+WF×(Hbe-HF) (7)
联立式(3)、(4)、(5)、(6)变换得到燃烧室净输入热量Qbi：
Qbi＝(Wci-Wjc-Wzc-Wnc)×(HG，R-HA，R)+WF×(HG，R-HF，R)+WF×LHV×ηb (8)
2)进行压气机-燃烧室-燃机系统热平衡计算，即系统输入热量包括压气机入口空气焓Hci、燃烧室净输入热量Qbi、燃料焓；系统输出热量包括燃机排烟焓Hte、燃机输出功率对应热量、转子冷却风的冷却器带走热量；系统输入热量之和与系统输出热量之和相等：
Wci×Hci+WF×HF+Qbi＝(Wci+WF)×Hte+Wzc×(Hce-Hze)+P/ηtj (9)
式中，Hce表示压气机排气比焓，Hze表示转子冷却风比焓，P表示燃机负荷，ηtj表示燃气轮机机械效率；
联立式(8)、(9)求解得到Wci和Qbi的值，并将Wci和Qbi的值代入式(6)计算排烟焓Hbe；
3)由于燃机进口烟气由燃烧室出口烟气和第一级喷嘴冷却风混合而成，因此热平衡方程如下：
Wbe×Hbe+Wnc×Hnc＝Wti×Hti (10)
式中，Hnc表示第一级喷嘴冷却风比焓，Hti表示燃机进口烟气比焓；
求解上述方程得到燃机进口烟气比焓Hti，烟气各成分浓度通过测量和计算已知(公式1)，根据以下烟气比焓计算公式，迭代计算出燃机进口烟气温度Tti：
Figure FDA0002512694670000041
式中，Tti燃机进口烟气温度。
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