CN113588280A - 一种适用于燃气轮机燃烧状态参数监测的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于燃气轮机燃烧状态参数监测的系统，包括耐高温动态压力测量模块、TDLAS燃烧温度测量模块、多功能数据采集模块和燃烧状态参数显示模块。该系统利用耐高温动态压力传感器测量模块直接测量燃烧室的压力脉动，利用TDLAS燃烧温度测量模块直接测量燃烧室出口温度，采用同一多功能数据采集模块同步采集、处理和输出燃烧室压力脉动与燃烧温度，可保持燃烧室压力脉动和燃烧温度监测结果在时间上的一致性。
Description
技术领域
本发明属于燃气轮机技术领域，尤其涉及一种适用于燃气轮机燃烧状态参数监测的系统。
背景技术
燃气轮机燃烧监测的主要任务是通过有效的方法获得燃烧室压力、温度等状态参数，将监测结果发送至燃气轮机状态显示系统及控制系统，由燃气轮机调控人员或者燃机控制系统调整燃机运行参数，确保燃烧室及热通道部件的运行安全。
在役燃气轮机采用动态压力传感器或者加速度传感器，监测燃烧外壳振动以及燃烧室引压管的压力脉动等参数获取燃烧稳定性；通过热电偶监测透平出口温度，再利用经验公式等方法，获取排气温度分散度、推算燃机燃烧室出口的燃烧温度等。
上述燃烧室压力脉动与燃烧温度的监测方法，还存在不足之处。1)在役燃气轮机主要通过引压管将燃烧室内的高温燃气冷却，通过监测引压管内的压力脉动，间接获取燃烧室内的压力脉动，由于引压管本身存在压损和阻尼，其压力脉动频率及幅值等特性参数不能完全代表燃气轮机燃烧室本身的压力脉动特性，在很大程度上影响了燃烧稳定性诊断的准确性；2)通过透平出口温度估算燃烧室出口温度，其估算值与燃烧室出口实际温度存在偏差并伴随一定的时滞现象，致使燃烧温度诊断效果不佳；3)由于通过燃烧室下游透平的排气温度反推燃烧室的燃烧温度本身在时效上伴随有一定的迟滞，导致燃烧稳定性诊断结果和燃烧温度诊断结果无法在时间上保持一致性，易影响燃烧诊断结果的准确性。
为提高在役燃机燃烧状态监测诊断的准确度，有必要改进现有的燃烧温度与燃烧压力脉动监测方法。1)取消燃烧室引压管、或者缩短引压管的长度，可以减小引压管引起的压损和阻尼，提高燃烧室压力脉动监测的准确度；2)可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)测量精度高，不需要直接接触高温燃气，可以直接测量燃烧室温度；3)将燃烧压力脉动监测点和燃烧温度监测点尽量在布置在同一部件上，直接监测燃烧室的压力脉动和燃烧温度，并在同一系统内进行数据分析和处理，可保持燃烧室压力脉动和燃烧温度监测诊断结果在时间上的一致性。
发明内容
为提高在役燃机燃烧状态监测诊断的准确度、保持燃烧室压力脉动和燃烧温度监测诊断结果在时间上的一致性，本发明提供了一种适用于燃气轮机燃烧状态参数监测的系统，该系统采用耐高温动态压力传感器测量燃烧室的压力脉动，采用TDLAS系统直接测量燃烧室出口温度，采用同一数据采集仪采集、输出燃烧压力脉动和燃烧温度数据，实现燃烧室压力脉动和燃烧温度同步采集、同步输出至燃烧状态参数显示系统。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种适用于燃气轮机燃烧状态参数监测的系统，包括耐高温动态压力测量模块、TDLAS燃烧温度测量模块、多功能数据采集模块和燃烧状态参数显示模块；其中，耐高温动态压力测量模块由耐高温动态压力传感器及压力传感器冷却套筒组成；耐高温动态压力传感器置于压力传感器冷却套筒中；耐高温动态压力测量模块布置在燃烧室壁面，与燃烧室内的高温燃气接触，实现燃烧室动态压力的直接测量，将压力信号转化为电信号并传输至多功能数据采集模块；
TDLAS燃烧温度测量模块，由2只激光器、2台激光控制器、1只光纤耦合器、1只激光准直器、1台锁相放大器、1只光电探测器组成；其中，激光控制器用来驱动激光器发射单模激光，且确保激光器所发射的激光波长恒定；光纤耦合器用于将2只激光器发射的2束不同波长的激光耦合为一束激光；合为1束的激光经激光准直器准直作用后穿过燃烧室待测流场，穿过燃烧室待测流场的吸收激光光谱由位于燃烧室待测流场另一侧的光电探测器接收，并将吸收激光光谱的光信号转化为电信号，锁相放大器对电信号进行锁相放大处理，发出适合二次谐波检测的调制信号至多功能数据采集模块；激光准直器、光电探测器分别布置在燃烧室的上下两侧，且两者之间的连线垂直于燃烧室燃气流动方向；
耐高温动态压力测量模块、TDLAS燃烧温度测量模块分别与多功能数据采集模块相连，多功能数据采集模块与燃烧状态参数显示模块相连；多功能数据采集系统将耐高温动态压力传感器输出的电信号和TDLAS燃烧温度测量模块输出的电信号，同步转换为压力脉动信号和燃烧温度信号，并将压力脉动信号和燃烧温度信号同步输出至燃烧状态参数显示模块，供燃气轮机调控人员或者燃机控制系统调整燃机运行参数，确保燃烧室及热通道部件的运行安全。
本发明进一步的改进在于，耐高温动态压力测量模块中，耐高温动态压力传感器和压力传感器冷却套筒之间通过螺纹连接，且耐高温动态压力传感器测量端面与压力传感器冷却套筒与高温燃气接触端面之间，存在预设的间距，其间距能够通过耐高温动态压力传感器与压力传感器冷却套筒之间的螺纹进行调节；压力传感器冷却套筒冷却耐高温动态压力传感器的同时，对与耐高温动态压力传感器测量截面接触的高温燃气进行冷却，以保障耐高温动态压力传感器的使用寿命。
本发明进一步的改进在于，压力传感器冷却套筒内部充满冷却循环水，对耐高温动态压力传感器进行冷却。
本发明进一步的改进在于，TDLAS燃烧温度测量模块中，光电探测器前附加一层带通滤光镜片，过滤燃烧室内高温燃气发射的背景光，降低背景光对激光吸收激光光谱的影响，提高TDLAS燃烧温度测量模块的测量精度。
本发明进一步的改进在于，激光准直器外附加激光准直器冷却套筒，光电探测器外附加光电探测器冷却套筒，以方便TDLAS燃烧温度测量模块在高温环境下正常工作。
本发明进一步的改进在于，激光准直器冷却套筒和光电探测器冷却套筒与燃烧室内高温燃气接触部分采用耐高温石英玻璃进行封闭，用于防止激光准直器和光电探测器和高温燃气直接接触。
本发明进一步的改进在于，燃烧状态参数显示模块包括压力脉动显示模块、燃烧温度信息显示模块，各显示模块均由LED显示屏组成，用于实时显示燃气轮机燃烧室压力脉动频率和幅值、流场温度燃烧状态信息。
本发明进一步的改进在于，两个激光器均为可调谐二极管激光器，其所产生的激光能够被燃气轮机燃烧室水蒸气有效吸收，且吸收后的激光光谱强度满足TDLAS燃烧状态参数监测系统的需求。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种适用于燃气轮机燃烧状态参数监测的系统，利用耐高温动态压力测量模块测量燃烧室动态压力，取消了在役燃机燃烧室较长的引压管，创新的利用冷却套筒降低与耐高温压力脉动传感器接触的燃气温度，在保障耐高温压力传感器正常工作的前提下，减小了由于在役燃机采用引压管引起的压损和阻尼，而引起监测的压力脉动频率和幅值失真的不足之处，可以提高燃烧室压力脉动监测的准确度。
本发明提供的一种适用于燃气轮机燃烧状态参数监测的系统，利用TDLAS燃烧温度测量模块测量燃烧室燃烧温度，不需要直接接触燃烧室待测流场的高温燃气，可以直接测量燃烧室温度，无需利用燃烧室下游的温度反推燃烧室燃烧温度，避免了由经验公式推算造成的误差；且由于TDLAS燃烧温度测量模块直接监测燃烧室温度，解决了在役燃机现有的温度监测系统燃烧温度控制的时滞性问题。
本发明提供的一种适用于燃气轮机燃烧状态参数监测的系统，利用多功能数据采集模块，在同一采集系统内进行燃烧室压力脉动与燃烧温度的同步采集、处理和同步输出，可保持燃烧室压力脉动和燃烧温度监测结果在时间上的一致性。
进一步，耐高温动态压力测量模块中，耐高温动态压力传感器测量截面与压力传感器冷却套筒和高温燃气接触截面之间，存在一定的间距；压力传感器冷却套筒在冷却耐高温动态压力传感器的同时，可对与压力传感器测量截面接触的高温燃气进行冷却，保障耐高温动态压力传感器的使用寿命；耐高温动态压力传感器测量端面与冷却套筒和高温燃气接触端面之间的距离可调节，方便冷却套筒对与压力传感器接触的高温燃气进行充分冷却，以满足不同的高温使用环境。
进一步，TDLAS燃烧温度测量模块中，光电探测器前可附加一层带通滤光镜片，且带通滤波范围可根据使用的激光器发射的激光波长进行选择，降低燃烧室高温燃气本身发射的背景光对激光吸收激光光谱的影响，以提高TDLAS燃烧温度测量模块的测量精度。
进一步，激光准直器外可附加激光准直器冷却套筒、光电探测器外可附加光电探测器冷却套筒，以方便TDLAS燃烧温度测量模块在高温环境下正常工作；且激光准直器冷却套筒和光电探测器冷却套筒与燃烧室内高温燃气接触部分可用耐高温石英玻璃进行封闭，用于防止激光准直器和光电探测器和高温燃气直接接触。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明实施例示意图。
附图标记说明：
1.耐高温动态压力测量模块；10.耐高温动态压力传感器；11.压力传感器冷却套筒；12.压力变送器；
2.TDLAS燃烧温度测量模块；20.激光控制器A；21.激光控制器B；22.激光器A；23.激光器B；24.光电耦合器；25.激光准直器；26.激光准直器冷却套筒；27.光电探测器；28.光电探测器冷却套筒；29.锁相放大器；
3.多功能数据采集模块；30.多功能数据采集分析仪；
4.燃气轮机燃烧状态参数显示模块；40.燃气轮机燃烧状态参数LED显示屏。
具体实施方式
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。
本发明的应用领域是如图2所示的燃气轮机燃烧状态参数在线监测装置。如图1所示，本发明提供的一种适用于燃气轮机燃烧状态参数监测的系统，包括耐高温动态压力测量模块1、TDLAS燃烧温度测量模块2、多功能数据采集模块3以及燃气轮机燃烧状态参数显示模块4。工作时，1)耐高温动态压力测量模块1中的耐高温动态压力传感器10与压力传感器冷却套筒11一起布置在燃烧室壁面上，压力传感器冷却套筒11内部充满冷却循环水，对耐高温动态压力传感器10进行冷却，耐高温动态压力传感器10测量燃烧室壁面附近的动态压力，并将测量的信号发送至压力变送器12，再由压力变送器12传输至多功能数据采集模块3。
2)TDLAS燃烧温度测量模块2中的激光准直器冷却套筒26和光电探测器冷却套筒28内部在工作过程中充满冷却循环水，分别对激光准直器25和光电探测器27进行冷却，确保激光准直器和光电探测器工作正常；激光控制器A20，激光控制器B21分别控制激光器A22和激光器B23，发出两束激光，并由光纤耦合器24将两束激光耦合为1束激光，并经激光准直器25进行准直处理为平行激光，平行激光穿过燃烧室待测流场，被光电探测器27接收并将接收到的光信号转化为电信号，发送至锁相放大器29进行锁相放大预处理，并由锁相放大器29将处理后的电信号传输至多功能数据采集模块3。
3)多功能数据采集模块3，利用多功能数据采集仪30同步采集分析计算接收耐高温动态压力测量模块1、TDLAS燃烧温度测量模块2传输的压力和温度信号；在多功能数据采集仪30接收到压力变送器12传输的压力信号，对其进行滤波、FFT变换，输出燃烧室压力脉动频率及幅值等信息；在多功能数据采集仪30接收到锁相放大器29传输的温度信号后，对其进行滤波处理、并按照特定公式折算燃烧温度；并将燃烧室压力脉动频率及幅值、燃烧温度等信息同步传输至燃气轮机燃烧状态参数显示模块4，由。
优选的，通过调节压力传感器冷却套筒11的冷却水流量、耐高温动态压力传感器测量端面与冷却套筒与高温燃气接触端面之间的间距，可以将燃气轮机燃烧室待测流场的温度降低到耐高温动态压力传感器的长时间工作范围以内。
优选的，激光器A22和激光器B23均为可调谐二极管激光器，其所产生的激光可被燃气轮机燃烧室水蒸气有效吸收，且吸收后的激光光谱强度满足TDLAS燃烧状态参数监测系统的需求。
优选的，光电探测器27可有效接收穿过燃气轮机燃烧室待测流场的激光吸收光谱，并将其转化为电流信号。
优选的，光电探测器冷却套筒28与高温燃气接触的位置为耐高温石英玻璃，且耐高温石英玻璃与光电探测器27之间可添加一层具有带通滤光膜的滤光片，在保障完全探测到经准直器准直处理的平行激光的同时，还可过滤燃烧室待测流场内高温燃气本身发出的背景光。
实施例
如图2所示，在燃气轮机燃烧室工作时，耐高温压力传感器测量模块1中的耐高温压力传感器10及压力传感器冷却套筒11可布置在燃机燃烧室燃料喷嘴下游10～30mm之间的任意横截面的壁面上，此处的压力脉动特性可代表燃烧室的压力脉动特性，且此处燃烧室温度相对较低，可提高耐高温压力传感器10使用寿命；压力变送器12布置在燃气轮机燃烧室远端，并通过数据线与多功能数据采集模块3相连。
TDLAS燃烧温度测量模块2的激光准直器25和准直器冷却套筒26一起布置在燃气轮机燃烧室待测流场一端，光电探测器27和光电探测器冷却套筒28一起布置在燃气轮机燃烧室待测流场的另一端，且激光准直器25和光电探测器27之间的连线垂直于待测流场；激光准直器25和光电探测器27可布置在靠近燃烧室出口平面附近，距离燃烧室出口截面10mm～15mm之间的任意横截面的壁面上，此位置燃烧室温度分布基本已经定型，此处的温度可以代表燃烧室出口的平均温度，用于燃机燃烧温度控制。
激光控制器A20、激光控制器B21、光电耦合器24之间用、锁相放大器29等布置在燃气轮机燃烧室远端，锁相放大器29通过数据线与多功能数据采集模块3相连。
多功能数据采集模块3以及燃气轮机燃烧状态参数显示模块4布置在燃气轮机燃烧室远端。
工作时，1)压力传感器冷却套筒11内部充满冷却循环水，对耐高温动态压力传感器10进行冷却，耐高温动态压力传感器10测量燃烧室壁面附近的动态压力，并将测量的信号发送至压力变送器12，再由压力变送器12通过数据线将信号传输至多功能数据采集模块3。
2)TDLAS燃烧温度测量模块中的激光准直器冷却套筒26和光电探测器冷却套筒28充满冷却循环水，分别对激光准直器25和光电探测器27进行冷却，确保激光准直器和光电探测器工作正常；激光控制器A20，激光控制器B21分别控制激光器A22和激光器B23，发出两束激光，并由光纤耦合器24将两束激光耦合为1束激光，并经激光准直器25进行准直处理为平行激光，平行激光穿过燃烧室待测流场，被光电探测器27接收并将接收到的光信号转化为电信号，发送至锁相放大器29进行锁相放大预处理，并由锁相放大器29将处理后的电信号通过数据线传输至多功能数据采集模块3。
3)多功能数据采集模块3，同步采集分析计算接收耐高温动态压力测量模块1、TDLAS燃烧温度测量模块2传输的压力和温度信号；在多功能数据采集仪30接收到压力变送器12传输的压力信号，对其进行滤波、FFT变换，输出燃烧室压力脉动频率及幅值等信息；在接收到锁相放大器29传输的温度信号后，对其进行滤波处理、折算，输出燃烧温度；并将燃烧室压力脉动频率及幅值、燃烧温度等信息同步传输至燃气轮机燃烧状态参数显示模块4，由燃气轮机燃烧状态参数LED显示屏40显示燃烧室燃烧状态。
优选的，可通过调节压力传感器冷却套筒11的冷却水流量、压力传感器测量端面与冷却套筒与高温燃气接触端面之间的间距，可以将燃气轮机燃烧室待测流场的温度降低到耐高温动态压力传感器的长时间工作范围以内。
优选的，激光器A22和激光器B23均为可调谐二极管激光器，其所产生的激光可被燃气轮机燃烧室水蒸气有效吸收，且吸收后的激光光谱强度满足TDLAS燃烧状态参数监测系统的需求。
优选的，光电探测器27可有效接收穿过燃气轮机燃烧室待测流场的激光吸收光谱，并将其转化为电流信号。
优选的，光电探测器冷却套筒28与高温燃气接触的位置为耐高温石英玻璃，且耐高温石英玻璃与光电探测器27之间可添加一层具有带通滤光膜的滤光片，在保障完全探测到经准直器准直处理的平行激光的同时，还可过滤燃烧室待测流场内高温燃气本身发出的背景光。
Claims (8)
1.一种适用于燃气轮机燃烧状态参数监测的系统，其特征在于，包括耐高温动态压力测量模块、TDLAS燃烧温度测量模块、多功能数据采集模块和燃烧状态参数显示模块；其中，
耐高温动态压力测量模块由耐高温动态压力传感器及压力传感器冷却套筒组成；耐高温动态压力传感器置于压力传感器冷却套筒中；耐高温动态压力测量模块布置在燃烧室壁面，与燃烧室内的高温燃气接触，实现燃烧室动态压力的直接测量，将压力信号转化为电信号并传输至多功能数据采集模块；
TDLAS燃烧温度测量模块，由2只激光器、2台激光控制器、1只光纤耦合器、1只激光准直器、1台锁相放大器、1只光电探测器组成；其中，激光控制器用来驱动激光器发射单模激光，且确保激光器所发射的激光波长恒定；光纤耦合器用于将2只激光器发射的2束不同波长的激光耦合为一束激光；合为1束的激光经激光准直器准直作用后穿过燃烧室待测流场，穿过燃烧室待测流场的吸收激光光谱由位于燃烧室待测流场另一侧的光电探测器接收，并将吸收激光光谱的光信号转化为电信号，锁相放大器对电信号进行锁相放大处理，发出适合二次谐波检测的调制信号至多功能数据采集模块；激光准直器、光电探测器分别布置在燃烧室的上下两侧，且两者之间的连线垂直于燃烧室燃气流动方向；
耐高温动态压力测量模块、TDLAS燃烧温度测量模块分别与多功能数据采集模块相连，多功能数据采集模块与燃烧状态参数显示模块相连；多功能数据采集系统将耐高温动态压力传感器输出的电信号和TDLAS燃烧温度测量模块输出的电信号，同步转换为压力脉动信号和燃烧温度信号，并将压力脉动信号和燃烧温度信号同步输出至燃烧状态参数显示模块，供燃气轮机调控人员或者燃机控制系统调整燃机运行参数，确保燃烧室及热通道部件的运行安全。
2.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机燃烧状态参数监测的系统，其特征在于，耐高温动态压力测量模块中，耐高温动态压力传感器和压力传感器冷却套筒之间通过螺纹连接，且耐高温动态压力传感器测量端面与压力传感器冷却套筒与高温燃气接触端面之间，存在预设的间距，其间距能够通过耐高温动态压力传感器与压力传感器冷却套筒之间的螺纹进行调节；压力传感器冷却套筒冷却耐高温动态压力传感器的同时，对与耐高温动态压力传感器测量截面接触的高温燃气进行冷却，以保障耐高温动态压力传感器的使用寿命。
3.根据权利要求2所述的一种适用于燃气轮机燃烧状态参数监测的系统，其特征在于，压力传感器冷却套筒内部充满冷却循环水，对耐高温动态压力传感器进行冷却。
4.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机燃烧状态参数监测的系统，其特征在于，TDLAS燃烧温度测量模块中，光电探测器前附加一层带通滤光镜片，过滤燃烧室内高温燃气发射的背景光，降低背景光对激光吸收激光光谱的影响，提高TDLAS燃烧温度测量模块的测量精度。
5.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机燃烧状态参数监测的系统，其特征在于，激光准直器外附加激光准直器冷却套筒，光电探测器外附加光电探测器冷却套筒，以方便TDLAS燃烧温度测量模块在高温环境下正常工作。
6.根据权利要求5所述的一种适用于燃气轮机燃烧状态参数监测的系统，其特征在于，激光准直器冷却套筒和光电探测器冷却套筒与燃烧室内高温燃气接触部分采用耐高温石英玻璃进行封闭，用于防止激光准直器和光电探测器和高温燃气直接接触。
7.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机燃烧状态参数监测的系统，其特征在于，燃烧状态参数显示模块包括压力脉动显示模块、燃烧温度信息显示模块，各显示模块均由LED显示屏组成，用于实时显示燃气轮机燃烧室压力脉动频率和幅值、流场温度燃烧状态信息。
8.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机燃烧状态参数监测的系统，其特征在于，两个激光器均为可调谐二极管激光器，其所产生的激光能够被燃气轮机燃烧室水蒸气有效吸收，且吸收后的激光光谱强度满足TDLAS燃烧状态参数监测系统的需求。
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