CN113982762A - 一种燃气轮机燃烧温度的预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种燃气轮机燃烧温度的预警方法，该方法与燃烧温度监测系统配套，可实时给出燃烧温度是否超温的信息，相较传统通过监测燃气轮机透平排气温度来间接控制燃烧温度的方法，时效更短。可在非接触式燃烧温度监测系统实时监测燃烧温度时，给出燃烧温度是否超温的判据，当燃烧温度达到超温时，先进行超温预警，机组运行人员可根据超温预警信息，提前采取措施，避免燃烧超温导致燃气轮机热通道部件损伤。当燃烧超温故障暂无法解除，在燃烧温度达到跳机值前，机组跳机。

Description

一种燃气轮机燃烧温度的预警方法

技术领域

本发明涉及数据分析领域，具体为一种燃气轮机燃烧温度的预警方法。

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，燃烧温度的精确监测是燃气轮机燃烧诊断与燃烧调整的关键环节。精确监测燃烧温度并将其反馈于控制系统，有助于燃气轮机燃烧过程精准控制，确保热通道部件运行安全、降低污染物排放、提升燃烧调整效果。

燃烧室工作过程具有高温、高压、高燃烧热强度等特点，一般采用热电偶对燃气轮机排气温度进行监测，通过监测燃气轮机排气温度，来间接控制燃气轮机燃烧温度。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，通过分析排气分散度，间接判断燃烧状况是否异常。由于无法实时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，在热通道部件出现故障时，不能及时判断故障燃烧室损坏严重程度，往往在排气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。

为了解决上述问题，燃气轮机制造商及各研究机构一直在探寻可以直接监测燃气轮机燃烧温度的方法，其中基于可调谐半导体激光吸收光谱技术可以实现对燃烧温度的实时监测，该技术通过将激光波长调制到特定组分吸收频域，测量吸收光谱的谱线强度、展宽等信息，获得流场温度参数，具有结构简单、精度高、响应快、对燃烧室流场无干扰等优势，可实现燃烧温度的实时监测。针对某型燃气轮机燃烧室，虽然采用可调谐半导体激光吸收光谱技术可以对燃烧温度进行在线监测，但是因没有针对某型燃气轮机燃烧温度超温预警的方法，燃烧温度的实时监测并无预警燃烧温度超温的功能。

发明内容

为了能够在燃气轮机出现燃烧温度超温异常情况时，在燃烧温度值尚未达到报警或跳机前，提前预判并反馈给控制系统，避免燃烧超温引起热通道部件损坏，污染物排放超标，本发明提出一种预警燃气轮机燃烧温度的方法，该方法通过分析燃气轮机温控曲线与燃烧温度的对应关系，可以提前预警燃烧温度超温。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种燃气轮机燃烧温度的预警方法，包括以下步骤：

步骤1、分析燃气轮机主控系统温度控制逻辑，获取燃气轮机透平排气温度温控基准的控制参数；

步骤2、根据燃气轮机透平排气温度温控基准的控制参数，获得透平排气温度的温控线；

步骤3、利用透平排气温度与透平入口温度的关系，获得燃烧温度的温控线；

步骤4、根据燃气轮机透平排气温度的超温值和跳机值，获得燃烧温度的超温值和跳机值；

步骤5、将燃气轮机当前的燃烧温度与步骤4得到的超温值和跳机值比较，确定燃气轮机的运行状态。

优选的，步骤1中温度控制逻辑包括等温温控基准TTKn_I、随压气机压比信号CPR而变的温控基准TTRXP、与燃料量信号FSR或负荷信号DWATT对应的温控基准TTRXPS。

优选的，所述随压气机压比信号CPR而变的温控基准TTRXP的表达式如下：

TTRXP＝TTKn_I–[CPR-TTKn_C]*TTKn_S

温控基准TTRXS的表达式如下：

TTRXS＝TTKn_I–[FSR-TTKn_K]*TTKn_M

或TTRXS＝TTKn_I–[DWATT-TTKn_LO]*TTKn_LG

其中，TTKn_S、TTKn_M和TTKn_LG为温控线CPR偏置和温控线FSR BIAS或温控线DWATT偏置的斜率，TTKn_C、TTKn_K和TTKn_LO为拐点。

优选的，步骤2中所述透平排气温度温控线TTRX为等温温控基准TTKn_I、偏置的温控基准TTRXP和TTRXS的最小值组成。

优选的，步骤3中获得燃烧温度的温控线的方法如下：

利用透平排气温度与透平入口温度的关系，获得排气温度温控基准中透平排气温度对应的透平入口温度，利用透平入口温度表征燃烧温度，并绘制燃烧温度温控线。

优选的，步骤3中所述透平排气温度与透平入口温度的关系如下：

式中，CPR为压比，n为多变指数，T₄为透平排气温度，T₃为透平入口温度。

优选的，步骤4中所述燃气轮机透平排气温度超温值、跳机值的确定方法如下：

在温控线TTRX的基础上，向上平移TTKOT3常数得到超温值；

在同样的压气机出口压力下，排气温度高于温控基准所确定的值达到TTKOT2常数值时，所确定的温度值即跳机值；

当排气温度达到TTKOT1常数值时，机组跳机。

优选的，还包括以下方法步骤：

根据燃气轮机历史时刻的透平排气温度，并结合透平排气温度与透平入口温度的关系，确定该历史时刻透平入口温度，将该透平入口温度作为燃烧室的燃烧温度，与步骤4得到的超温值和跳机值比较，确定燃气轮机的运行状态。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种燃气轮机燃烧温度预警的方法，该方法配套燃烧温度监测系统，可实时给出燃烧温度是否超温的信息，相较传统通过监测燃气轮机透平排气温度来间接控制燃烧温度的方法，时效更短。可在非接触式燃烧温度监测系统实时监测燃烧温度时，给出燃烧温度是否超温的判据，当燃烧温度达到超温时，先进行超温预警，机组运行人员可根据超温预警信息，提前采取措施，避免燃烧超温导致燃气轮机热通道部件损伤。当燃烧超温故障暂无法解除，在燃烧温度达到跳机值前使机组跳机。

附图说明

图1为本发明燃气轮机透平排气温度温度基准示意图；

图2为本发明燃气轮机燃烧温度基准示意图；

图3为本发明燃气轮机燃烧温度报警线及跳机线。

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。

一种预警燃气轮机燃烧温度的方法，包括以下步骤：

步骤1、分析燃气轮机主控系统温度控制逻辑，获取燃气轮机透平排气温度温控基准的控制常数；

具体的，分析温度控制逻辑中等温温控基准TTKn_I、随压气机压比信号CPR而变的温控基准TTRXP、与燃料量信号FSR或负荷信号DWATT相关的温控基准TTRXPS，确定各温控基准控制逻辑的组成。

所述获取燃气轮机透平排气温度温控基准包括等排气温度温控线ISOTHERMAL。TTKn_I＝常数；

CPR偏置(修正)温控线CPRBIAS。随压气机压比信号CPR而变的温控基准TTRXP：

TTRXP＝TTKn_I–[CPR-TTKn_C]*TTKn_S

FSR或DWATT偏置(修正)的温控线FSR或DWATT BIAS。温控基准TTRXS：

TTRXS＝TTKn_I–[FSR-TTKn_K]*TTKn_M

或TTRXS＝TTKn_I–[DWATT-TTKn_LO]*TTKn_LG

所述获取燃气轮机透平排气温度温控基准控制常数TTKn_S、TTKn_M和TTKn_LG分别是温控线CPR偏置和FSR BIAS或DWATT偏置的斜率。TTKn_C、TTKn_K和TTKn_LO为拐点，是温控线CPR偏置和FSR偏置或DWATT偏置与水平等温线TTKn_I相交时交点的横坐标值。

步骤2、依据燃气轮机透平排气温度温控基准的控制参数，获得透平排气温度温控线TTRX。

具体的，所述透平排气温度温控线TTRX是由等温温控基准TTKnI、两种偏置的温控基准TTRXP、TTRXS取最小值构成，通常选TTKn I与TTRXP。

步骤3、利用透平排气温度与透平入口温度的关系，获得燃烧温度温控线；

具体的，所述利用透平排气温度与透平入口温度的关系，获得排气温度温控基准中透平排气温度对应的透平入口温度，利用透平入口温度表征燃烧温度，并绘制燃烧温度温控线。

透平排气温度与透平入口温度的关系如下：

式中，CPR为压比，n为多变指数，T₄为透平排气温度，T₃为透平入口温度。

步骤4、依据燃气轮机透平排气温度超温值、跳机值，获得燃烧温度超温、跳机值；

具体的，所述燃气轮机透平排气温度超温值、跳机值的确定方法为：在温控线TTRX的基础上，向上平移TTKOT3常数，所确定的温度值即超温值；在同样的压气机出口压力下，排气温度高于温控基准值达到TTKOT2常数值时，所确定的温度值即跳机值；当排气温度达到TTKOT1常数值时，机组跳机。

步骤5、将燃气轮机当前的燃烧温度与步骤4得到的超温值和跳机值比较，确定燃气轮机的运行状态。

当燃烧温度低于超温值，则表示燃气轮机处于正常状态，当燃烧温度大于超温值，则输出超温报警信息，当燃烧温度达到跳机值，机组跳机。

本发明所提出一种预警燃气轮机燃烧温度的方法，该方法与燃烧温度监测系统配套，可实时给出燃烧温度是否超温的信息，相较传统通过监测燃气轮机透平排气温度来间接控制燃烧温度的方法，时效更短。可在非接触式燃烧温度监测系统实时监测燃烧温度时，给出燃烧温度是否超温的判据，当燃烧温度达到超温时，先进行超温预警，机组运行人员可根据超温预警信息，提前采取措施，避免燃烧超温导致燃气轮机热通道部件损伤。当燃烧超温故障暂无法解除，在燃烧温度达到跳机值前，机组跳机。

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。

参阅图1-3，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，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。

本实施例确定燃气轮机燃烧温度的工作过程为：

步骤1，分析温度控制逻辑中等温温控基准TTKn_I、随压气机压比而变的温控基准TTRXP、与燃料量信号FSR或负荷信号DWATT相关的温控基准TTRXPS可知，温控基准线不是简单的一条斜线，而是采用了三条连续的折线形式。温控基准控制逻辑中控制常数为TTKn_I，温控线TTRXP和TTRXPS的斜率TTKn_S、TTKn_M和TTKn_LG，温控线TTRXP和TTRXPS与水平等温线TTKn_I相交时交点的横坐标值TTKn_C、TTKn_K和TTKn_LO，上述各控制常数见表1，由于温控基准通常选TTKn_I与TTRXP，则与TTKn_I与TTRXP相关的常数为TTKn_I、TTKn_C与TTKn_S。

表1：温控线常数表

步骤2，依据上述燃气轮机透平排气温度温控基准的控制参数，获得透平排气温度温控基准算式。

首先，TTKn_I的算式如下：

TTKn_I＝1200； (1)

其次，TTRXP各段的算式如下：

TTRXP＝1200–[CPR-13.676]*27.669，CPR≤15； (2)

TTRXP＝1200–[CPR-13.382]*23.188，15＜CPR≤16； (3)

TTRXP＝1200–[CPR-14.81]*43.858，CPR＞16； (4)

由上述算式最终确定燃气轮机透平排气温度温控线见图1。

步骤3、根据透平排气温度与透平入口温度的关系式，

可获得透平排气温度对应的透平入口温度。假设

对于特定机型的燃气轮机，T₃取1327℃，则T₃＝1600K；T₄取609℃，则T₄＝882K，CPR＝15.4获得燃烧温度温控线；则可计算出x＝0.2178079。进而可知

T₃＝T₄CPR^0.2178709 (6)

由上式可获得特定压比下，透平排气温度的对应的透平入口温度，进而获得透平入口温度温控线，见图2。

步骤4、类比透平排气温度报警值与跳机值的确定方法，在透平入口温度温控线的基础上，向上平移TTKOT3常数(一般为25℉)所确定的温度值即超温值；在同样的压气机出口压力下，排气温度高于温控基准值达到TTKOT2常数值(一般为40℉)所确定的温度值即跳机值；当排气温度达到TTKOT1常数值(一般等于或接近于TTKOT2和TTRX之和)时，机组跳机。

步骤5、获取燃气轮机当前的燃烧温度，并与步骤4得到的超温值和跳机值比较，确定燃气轮机的运行状态。

还可以利用燃气轮机历史运行数据，结合步骤3得到的燃烧温度，与步骤3的燃烧温度温控线、步骤4获得的燃烧温度超温值、跳机值比较，可确定机组是否超温运行。

所述燃气轮机历史运行数据主要包括燃气轮机透平排气温度、燃气轮机压气机压比等。

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 (8)

1.一种燃气轮机燃烧温度的预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、分析燃气轮机主控系统温度控制逻辑，获取燃气轮机透平排气温度温控基准的控制参数；

步骤2、根据燃气轮机透平排气温度温控基准的控制参数，获得透平排气温度的温控线；

步骤3、利用透平排气温度与透平入口温度的关系，获得燃烧温度的温控线；

步骤4、根据燃气轮机透平排气温度的超温值和跳机值，获得燃烧温度的超温值和跳机值；

步骤5、将燃气轮机当前的燃烧温度与步骤4得到的超温值和跳机值比较，确定燃气轮机的运行状态。

2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧温度的预警方法，其特征在于，步骤1中温度控制逻辑包括等温温控基准TTKn_I、随压气机压比信号CPR而变的温控基准TTRXP、与燃料量信号FSR或负荷信号DWATT对应的温控基准TTRXPS。

3.根据权利要求2所述的一种燃气轮机燃烧温度的预警方法，其特征在于，所述随压气机压比信号CPR而变的温控基准TTRXP的表达式如下：

TTRXP＝TTKn_I–[CPR-TTKn_C]*TTKn_S

温控基准TTRXS的表达式如下：

TTRXS＝TTKn_I–[FSR-TTKn_K]*TTKn_M

或TTRXS＝TTKn_I–[DWATT-TTKn_LO]*TTKn_LG

其中，TTKn_S、TTKn_M和TTKn_LG为温控线CPR偏置和温控线FSR BIAS或温控线DWATT偏置的斜率，TTKn_C、TTKn_K和TTKn_LO为拐点。

4.根据权利要求3所述的一种燃气轮机燃烧温度的预警方法，其特征在于，步骤2中所述透平排气温度温控线TTRX为等温温控基准TTKn_I、偏置的温控基准TTRXP和TTRXS的最小值组成。

5.根据权利要求1所述的一种预警燃气轮机燃烧温度的方法，其特征在于，步骤3中获得燃烧温度的温控线的方法如下：

利用透平排气温度与透平入口温度的关系，获得排气温度温控基准中透平排气温度对应的透平入口温度，利用透平入口温度表征燃烧温度，并绘制燃烧温度温控线。

6.根据权利要求5所述的一种预警燃气轮机燃烧温度的方法，其特征在于，步骤3中所述透平排气温度与透平入口温度的关系如下：

式中，CPR为压比，n为多变指数，T₄为透平排气温度，T₃为透平入口温度。

7.根据权利要求1所述的一种预警燃气轮机燃烧温度的方法，其特征在于，步骤4中所述燃气轮机透平排气温度超温值、跳机值的确定方法如下：

在温控线TTRX的基础上，向上平移TTKOT3常数得到超温值；

在同样的压气机出口压力下，排气温度高于温控基准所确定的值达到TTKOT2常数值时，所确定的温度值即跳机值；

当排气温度达到TTKOT1常数值时，机组跳机。

8.根据权利要求1所述的一种预警燃气轮机燃烧温度的方法，其特征在于，还包括以下方法步骤：

根据燃气轮机历史时刻的透平排气温度，并结合透平排气温度与透平入口温度的关系，确定该历史时刻透平入口温度，将该透平入口温度作为燃烧室的燃烧温度，与步骤4得到的超温值和跳机值比较，确定燃气轮机的运行状态。

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