CN112460634A - 一种确定燃气轮机故障燃烧室的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种确定燃气轮机故障燃烧室的方法，所采用的燃烧室与透平排气监测点处排气温度分散度之间的关系由高温流体团在监测点处的影响区域获得，为范围值而非某一具体数值，因此，不仅可通过监测点处排气温度分散度较准确地推断出故障燃烧室的位置或透平通流部件故障的位置，也可判断故障燃烧室或透平通流部件故障的严重程度。燃气轮机运维人员可依据所确定的故障燃烧室/透平及故障损坏严重程度信息，及时调停机组对故障燃烧室/透平进行检查、处理，使得该燃气轮机机组燃烧状况恢复到一个较好运行状态，实现对燃烧室/透平的状态检修。

Description

一种确定燃气轮机故障燃烧室的方法

技术领域

本发明涉及数据分析领域，具体为一种确定燃气轮机故障燃烧室的方法。

背景技术

燃烧室是燃气轮机的三大核心系统部件(压气机、燃烧室和透平)之一，其工作过程具有高温、高压、高速、高过量空气系数、高燃烧热强度等特点。燃烧室火焰筒、过渡段等部件长期工作在高温区域，工作环境恶劣，运行一段时间后，上述部件难免出现破裂、损伤等各种故障。

燃烧室部件一旦出现故障将可能对下游的透平喷嘴和透平动叶部件的安全构成威胁。在燃气轮机实际运行时，由于难以直接对燃烧室、透平等热通道部件的温度进行实时监测，因此，就无从知晓燃烧室燃料喷嘴、火焰筒、过渡段、透平等热通道部件的工作状态。在役燃气轮机只能通过测量透平排气温度的间接监测方法来判断热通道部件的工作是否有异常。

基于上述原因，在役燃气轮机通常引入排气分散度作为判断燃烧状况是否异常的依据。燃烧室部件出现异常或燃烧不正常的情况，将导致排气温度场分布不均匀，排气分散度变大。因此，在燃气轮机机组日常运行过程中，需要时刻监视排气分散度的变化和发展情况，一旦排气温度分散度在短期内出现明显变化，应及时分析，以便在排气温度分散度保护动作之前就及时停机进行必要的检查，以防止非计划停运的发生以及燃烧恶化对热通道部件造成的损伤。

然而，以往在燃气轮机出现排气分散度异常情况时，通常利用运行数据中的排气热电偶异常点，然后利用该型燃气轮机热电偶与燃烧室对应关系的故障燃烧室定位公式/拟合公式，判断故障燃烧室位置的方法，但该方法存在无法确定全部故障燃烧室位置，预测的故障燃烧室位置不全面的问题，而且不能判断故障燃烧室损坏严重程度的问题，往往在分散度大导致跳机后被迫对故障燃烧室进行处理，处理时间长且低效，未能在故障燃烧室初期提前预判。

发明内容

为了能够在燃气轮机出现排气温度分散度大异常情况时，在分散度值尚未达到报警或跳机前，提前预判并准确确定故障燃烧室，评估燃烧室损坏的严重程度，本发明提出一种确定燃气轮机故障燃烧室的方法，该方法通过分析排气温度分散度与燃烧室的对应关系，可以较准确预判故障燃烧室位置。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种确定燃气轮机故障燃烧室的方法，包括以下步骤：

步骤1、获取燃气轮机排气温度分散度，当燃气轮机出现排气温度分散度异常时，获取排气温度分散度异常时的燃气轮机排气温度异常点；

步骤2、根据排气温度异常点初次确定故障燃烧室的位置；

步骤3、建立燃烧室出口至排气温度异常点之间的透平叶栅流道模型，采用模型模拟高温燃气在透平叶栅流道内的流动传热特性，根据流动传热特性确定燃烧室出口的温度分布与排气温度异常点之间的关系；

步骤4、根据温度分布与排气温度异常点之间的关系，再次确定故障燃烧室的位置；

步骤5、结合步骤2和步骤4得到的故障燃烧室的位置，确定所有的故障燃烧室的位置。

优选的，步骤1中所述排气温度异常点的确定方法如下：

实时监测燃气轮机排气温度分散度，在燃气轮机出现排气温度分散度异常时，对所监测的实时排气温度运行数据进行统计分析，绘制排气温度分散度曲线图，根据曲线图确定排气温度异常点。

优选的，所述曲线图为排气温度分散度周向图或柱状图。

优选的，步骤2中根据排气温度异常点，利用故障燃烧室定位公式确定故障燃烧室位置；

或通过拟合公式计算排气温度异常点与燃烧室的对应旋转角度，进而确定故障燃烧室位置。

优选的，所述利用故障燃烧室定位公式确定故障燃烧室的方法如下：

首先，计算故障燃烧室的初步位置C1，公式如下；

根据故障燃烧室的初步位置确定故障燃烧室位置C2。

若0≤C1≤18，则C2＝C1；若C1＜0，则C2＝C1+18。

其中，N为异常热电偶位置，D为负荷。

优选的，步骤3中根据流动传热特性分析燃气轮机排气温度分散度异常前后燃烧室出的温度分布，以及高温流体在透平叶栅流道内的流经位置分布；

根据燃烧室出口的温度分布和高温流体在透平叶栅流道内的流经位置分布，确定由故障燃烧室引起的高温流体团在透平静叶的转向作用和透平动叶的旋转作用下排气温度异常点的影响区域，根据排气温度异常点的影响区域确定燃烧室出口温度分布与排气温度异常点之间的关系。

优选的，根据燃气轮机排气温度分散度异常前后燃烧室出口的温度分布，确定燃烧室出口温度分散度大小，并根据燃烧室出口温度分散度大小，确定故障燃烧室损坏程度。

优选的，步骤3中还包括以下过程：

根据流动传热特性分析燃气轮机排气温度分散度异常前后透平通流区域的温度分布，以及高温流体在透平叶栅流道内的流经位置分布；

根据透平通流区域的温度分布和高温流体在透平叶栅流道内的流经位置分布，确定故障透平叶片引起的高温流体团在透平静叶的转向作用和透平动叶的旋转作用下排气温度异常点的影响区域，根据排气温度异常点的影响区域确定透平动静叶出口温度分布与排气温度异常点之间的关系。

优选的，根据透平动静叶出口温度分布与排气温度异常点之间的关系，确定故障透平的位置。

优选的，根据燃气轮机排气温度分散度异常前后透平通流区域的温度分布，确定透平动静叶出口温度分散度大小，并根据透平动静叶出口温度分散度大小，确定透平通流部件损坏程度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种确定燃气轮机故障燃烧室的方法，采用的燃烧室与透平排气监测点处排气温度分散度之间的关系由高温流体团在监测点处的影响区域获得，为范围值而非某一具体数值，因此，不仅可通过监测点处排气温度分散度较准确地推断出故障燃烧室的位置或透平通流部件故障的位置，同时在结果根据排气温度异常点确定故障燃烧室位置，能够准确得到燃烧室所有的故障位置，燃气轮机运维人员可依据所确定的故障燃烧室位置及时调停机组对故障燃烧室进行检查、处理，使得该燃气轮机机组燃烧状况恢复到一个较好运行状态，实现对燃烧室的状态检修。

进一步，该方法通过分析燃烧室出口温度分布与排气温度异常点之间的关系，可以较准确预判故障燃烧室位置；通过排气温度场的分布情况，评估对应故障燃烧室损坏的严重程度，进而指导燃气轮机运维人员合理安排检修计划，避免恶性事故的发生。

附图说明

图1为本发明燃气轮机燃烧室与热电偶的布置示意图，箭头方向为转子旋转方向；

图2为本发明燃气轮机排气热电偶排气温度分散度周向图；图中的曲线为表征排气分散度的排气温度偏差。

图3为本发明燃气轮机透平叶栅流道模型图，图中S1为透平第1级静叶，R1为透平第1级动叶，S2为透平第2级静叶，R2为透平第2级动叶，S3为透平第3级静叶，R3为透平第3级动叶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

一种确定燃气轮机故障燃烧室的方法，包括以下步骤：

步骤1、获取燃气轮机排气温度分散度，当燃气轮机出现排气温度分散度异常时，获取排气温度分散度异常时的燃气轮机排气温度异常点。

具体的，在燃气轮机透平排气端均布多个热电偶，实时监测燃气轮机排气温度分散度，在燃气轮机出现排气温度分散度异常时，对所监测的实时排气温度运行数据进行统计分析，绘制排气温度分散度周向图或柱状图。

步骤2、根据排气温度异常点确定故障燃烧室位置。

具体的，通过分析排气温度分散度周向图或柱状图，找出排气温度异常点，利用故障燃烧室位置公式计算故障燃烧室位置。

或通过拟合公式计算排气温度异常点与燃烧室的对应旋转角度，进而确定故障燃烧室位置。

步骤3、建立燃烧室出口至排气温度异常点之间的透平叶栅流道模型，采用模型模拟高温燃气在透平叶栅流道内的流动传热特性，根据流动传热特性确定燃烧室出口或透平动静叶出口的温度分布与排气温度异常点之间的关系。

具体的，建立燃烧室出口至燃气轮机排气温度分散度监测点之间的透平叶栅流道模型，采用三维数值计算方法模拟高温燃气在透平叶栅流道内的流动传热特性，根据流动传热特性分析燃气轮机排气温度分散度异常前后燃烧室出口或透平通流区域的温度分布，以及高温流体在透平叶栅流道内的流经位置分布。

根据燃烧室出口或透平通流区域的温度分布和高温流体在透平叶栅流道内的流经位置分布，确定由故障燃烧室或故障透平叶片引起的高温流体团在透平静叶的转向作用和透平动叶的旋转作用下排气温度异常点的影响区域，根据排气温度异常点的影响区域确定燃烧室出口或透平动静叶出口温度分布与排气温度异常点之间的关系；

根据燃气轮机排气温度分散度异常前后燃烧室出口或透平通流区域的温度分布，确定燃烧室出口温度分散度大小或透平动静叶出口温度分散度大小。

步骤4、根据燃烧室出口温度分布与排气温度异常点之间的关系，再次确定故障燃烧室的位置，并根据燃烧室出口温度分散度大小，确定故障燃烧室损坏程度。

根据透平动静叶出口温度分布与排气温度异常点之间的关系，确定故障透平的位置，并根据透平动静叶出口温度分散度大小，确定透平通流部件损坏程度。

步骤5、结合步骤2和步骤4得到的故障燃烧室位置，确定故障燃烧室的所有位置，并结合故障燃烧室损伤的程度，提出针对该型燃气轮机需检查处理的故障燃烧室建议。

本发明所提出一种确定燃气轮机故障燃烧室的方法，所采用的燃烧室与透平排气监测点处排气温度分散度之间的关系由高温流体团在监测点处的影响区域获得，为范围值而非某一具体数值，因此，不仅可通过监测点处排气温度分散度较准确地推断出故障燃烧室的位置或透平通流部件故障的位置，也可判断故障燃烧室或故障透平通流部件损坏的严重程度。燃气轮机运维人员可依据所确定的故障燃烧室/透平及故障损坏严重程度信息，及时调停机组对故障燃烧室/透平进行检查、处理，使得该燃气轮机机组燃烧状况恢复到一个较好运行状态，实现对燃烧室/透平的状态检修。

实施例1

下面以某型燃气轮机为说明例，结合附图对本发明具体实施例进行详细说明。

某型燃气轮机共有18个分管逆流式结构的DLN2.0+燃烧室，其沿着气流方向逆时针排列；另外，在透平排气通道中周向均匀布置了31个排气测温热电偶，用来实时监测透平排气温度，热电偶与燃烧室的布置见图1。

本实施例确定燃气轮机故障燃烧室位置的工作过程为：

步骤1，利用31支热电偶实时监测的基本负荷为385.3MW时的排气温度数据，见表1，并绘制排气温度分散度周向图，如图2。经对排气温度分散度周向图中的排气温度偏差分析可知2号、10号、12号、14号、15号、24号为热电偶低温点，即排气分散度异常点。

表1：排气热电偶各点数值

步骤2，利用某型燃气轮机稳定负荷下的故障燃烧室位置公式，计算故障燃烧室的位置，具体如下：

首先，计算故障燃烧室的初步位置C1，公式如下；

根据故障燃烧室的初步位置确定故障燃烧室位置C2。

若0≤C1≤18，则C2＝C1；若C1＜0，则C2＝C1+18。

其中，N为异常热电偶位置，D为负荷。

将上述2号、10号、12号、14号、15号、24号异常热电偶点位置分别代入故障燃烧室位置公式计算，得到估算的故障燃烧室位置为17#、16#、4#、5#、6#、7#、12#，通过计算分析认为需要对4#、5#、6#、7#、12#、16#、17#燃烧室进行检查。

步骤3、建立燃烧室出口至燃气轮机排气温度分散度监测点之间的透平叶栅流道模型，采用三维数值计算方法模拟高温燃气在透平叶栅流道内的流动传热特性，根据流动传热特性分析燃气轮机排气温度分散度异常前后燃烧室出口或透平通流区域的温度分布，以及高温流体在透平叶栅流道内的流经位置分布。

根据燃烧室出口或透平通流区域的温度分布和高温流体在透平叶栅流道内的流经位置分布，确定由故障燃烧室或故障透平叶片引起的高温流体团在透平静叶的转向作用和透平动叶的旋转作用下排气温度异常点的影响区域，根据排气温度异常点的影响区域确定燃烧室出口或透平动静叶出口温度分布与排气温度异常点之间的关系；

根据燃气轮机排气温度分散度异常前后燃烧室出口或透平通流区域的温度分布，确定燃烧室出口温度分散度大小或透平动静叶出口温度分散度大小。

步骤4、根据排气温度异常点、高温流体团沿转子旋转方向偏转的影响区域及确定的燃烧室出口或透平动静叶出口温度分布与排气温度分散度之间的关系，可获知故障燃烧室位置为17#、18#、4#、3#、5#、6#、7#、12#、13#、11#，且上述故障燃烧室损坏严重程度高。

步骤5、结合步骤2和步骤3确定燃烧室所有故障位置，可定位到故障燃烧室为3#、4#、5#、6#、7#、11#、12#、13#、16#、17#、18#，建议及时停机对故障燃烧室进行检查和处理。

在燃气轮机停机后，对燃烧室进行了孔窥检查。发现燃烧器有多处损坏，1#火焰筒涂层脱落，过渡段出现裂纹；3#燃烧室点火器端部烧损，端盖支撑断裂；5#过渡段外壳体断裂；6#过渡段出口侧内部密封条断裂；7#过渡段外壳体断裂；12#燃烧室局部断裂的现象；13#过渡段外壳体断裂；14#过渡段鱼口处磨损严重，壳体出现裂纹；17#火焰筒出现裂纹；1#-18#燃烧室弹性密封垫片均出现不同程度的磨损。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种确定燃气轮机故障燃烧室的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获取燃气轮机排气温度分散度，当燃气轮机出现排气温度分散度异常时，获取排气温度分散度异常时的燃气轮机排气温度异常点；

步骤2、根据排气温度异常点初次确定故障燃烧室的位置；

步骤3、建立燃烧室出口至排气温度异常点之间的透平叶栅流道模型，采用模型模拟高温燃气在透平叶栅流道内的流动传热特性，根据流动传热特性确定燃烧室出口的温度分布与排气温度异常点之间的关系；

步骤4、根据温度分布与排气温度异常点之间的关系，再次确定故障燃烧室的位置；

步骤5、结合步骤2和步骤4得到的故障燃烧室的位置，确定所有的故障燃烧室的位置。

2.根据权利要求1所述的一种确定燃气轮机故障燃烧室的方法，其特征在于，步骤1中所述排气温度异常点的确定方法如下：

实时监测燃气轮机排气温度分散度，在燃气轮机出现排气温度分散度异常时，对所监测的实时排气温度运行数据进行统计分析，绘制排气温度分散度曲线图，根据曲线图确定排气温度异常点。

3.根据权利要求2所述的一种确定燃气轮机故障燃烧室的方法，其特征在于，所述曲线图为排气温度分散度周向图或柱状图。

4.根据权利要求1所述的一种确定燃气轮机故障燃烧室的方法，其特征在于，步骤2中根据排气温度异常点，利用故障燃烧室定位公式确定故障燃烧室位置；

或通过拟合公式计算排气温度异常点与燃烧室的对应旋转角度，进而确定故障燃烧室位置。

5.根据权利要求4所述的一种确定燃气轮机故障燃烧室的方法，其特征在于，所述利用故障燃烧室定位公式确定故障燃烧室位置的方法如下：

首先，计算故障燃烧室的初步位置C1，公式如下；

根据故障燃烧室的初步位置确定故障燃烧室位置C2；

若0≤C1≤18，则C2＝C1；若C1＜0，则C2＝C1+18；

其中，N为异常热电偶位置，D为负荷。

6.根据权利要求1所述的一种确定燃气轮机故障燃烧室的方法，其特征在于，步骤3中根据流动传热特性分析燃气轮机排气温度分散度异常前后燃烧室出的温度分布，以及高温流体在透平叶栅流道内的流经位置分布；

根据燃烧室出口的温度分布和高温流体在透平叶栅流道内的流经位置分布，确定由故障燃烧室引起的高温流体团在透平静叶的转向作用和透平动叶的旋转作用下排气温度异常点的影响区域，根据排气温度异常点的影响区域确定燃烧室出口温度分布与排气温度异常点之间的关系。

7.根据权利要求6所述的一种确定燃气轮机故障燃烧室的方法，其特征在于，根据燃气轮机排气温度分散度异常前后燃烧室出口的温度分布，确定燃烧室出口温度分散度大小，并根据燃烧室出口温度分散度大小，确定故障燃烧室损坏程度。

8.根据权利要求1所述的一种确定燃气轮机故障燃烧室的方法，其特征在于，步骤3中还包括以下过程：

根据流动传热特性分析燃气轮机排气温度分散度异常前后透平通流区域的温度分布，以及高温流体在透平叶栅流道内的流经位置分布；

根据透平通流区域的温度分布和高温流体在透平叶栅流道内的流经位置分布，确定故障透平叶片引起的高温流体团在透平静叶的转向作用和透平动叶的旋转作用下排气温度异常点的影响区域，根据排气温度异常点的影响区域确定透平动静叶出口温度分布与排气温度异常点之间的关系。

9.根据权利要求8所述的一种确定燃气轮机故障燃烧室的方法，其特征在于，根据透平动静叶出口温度分布与排气温度异常点之间的关系，确定故障透平的位置。

10.根据权利要求8所述的一种确定燃气轮机故障燃烧室的方法，其特征在于，根据燃气轮机排气温度分散度异常前后透平通流区域的温度分布，确定透平动静叶出口温度分散度大小，并根据透平动静叶出口温度分散度大小，确定透平通流部件损坏程度。

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