CN1576810A - 燃烧温度高速检测设备 - Google Patents

Abstract

一种燃烧温度高速检测设备，配备有一相位超前处理部分，从而消除了温度检测器的检测滞后，并能够高速地检测出燃烧器中的燃气温度。该燃烧温度高速检测设备还配备了时间常数为0.25s的一阶滞后过滤部分，时间常数为10s的相位滞后处理部分，剪切频率为2－3Hz的温度变化过滤部分，以及包括具有不同时间常数的一阶滞后过滤部分和高值选择部分的干扰过滤部分。因此，能够进行更适用于气轮机系统的燃气温度高速检测。

Description

燃烧温度高速检测设备

技术领域

本发明涉及一种燃烧温度高速检测设备，该检测设备用于根据来自于安装在气轮机系统中的温度检测设备的温度检测信号高速检测出设置在气轮机系统中的燃烧器的燃气温度。

背景技术

温度检测器安装在气轮机系统中，该温度检测器利用用于检测设置在气轮机系统中的燃烧器的燃气温度的热电偶。气轮机系统的温度控制器对来自温度检测设备的温度检测信号进行反馈，以进行动态控制，从而使燃烧器的燃气温度达到预定的所需温度值。

发电厂中用热电偶作为温度检测设备进行温度检测的实例有专利文件1(日本专利申请公开号2001-183238)中公开的管道内液体温度测量器。在该专利文件1中，作为温度检测元件的热电偶连接到蒸汽管上，该蒸汽管用于连接核电站的蒸气发生器和蒸汽气轮机，对此本说明书中并未示出。温度检测元件连接到温度检测设备上，温度检测设备的输出信号输入到温度校正器中，并且温度校正器的输出信号输入到温度监视器中。温度校正器根据预测的管表面温度和管内温度之间的相关性、蒸汽压力下的饱和蒸汽温度、以及预测蒸汽压力和管内温度之间的相关性来对管表面温度进行校正，从而确定出管内的流体温度。根据这种方法，不必使用套管(热力计的保护管)，由于安装在管表面上的温度检测元件，温度检测会受影响。

采用这种气轮机系统，燃气温度的检测滞后产生了问题。为了检测出燃气温度，需要在释放燃气的燃烧器出口处设置温度检测设备。但是，这个位置的温度太高，因此只能将温度检测设备放置在气轮机的下游端，此外别无选择。这样就会产生温度检测的滞后问题。此外，即使在气轮机的下游端，燃气的温度而且流速也都很高。因此，为保护热电偶，将温度检测设备的热电偶放在保护材料内。保护材料也成为燃气温度检测滞后的因素之一。

因此，在根据温度检测信号对燃气温度进行控制的过程中，响应于燃烧温度的快速变化而进行高速控制是非常困难的。特别是，当燃烧温度太高时，燃烧器可能会被损坏。因此，当温度由低侧变到高侧时，需要响应该温度变化进行快速的温度控制。在目前的条件下，由于温度检测中存在滞后，所以响应快速的温度上升而进行高速控制是困难的。为了减少由于保护材料造成的检测滞后，已最大可能地减小了保护材料的厚度。但是，检测滞后还是不能彻底减少。在此情况下，进行了有关用检测信号处理方法来进行燃气温度高速检测的研究。

发明内容

鉴于上述情况而完成了本发明。本发明目的在于提供一种燃烧温度高速检测设备，该检测设备通过处理温度检测信号能够高速检测出燃气温度。

实现上述目的的本发明的第一方面，提供了一种燃烧温度高速检测设备，它根据安装在气轮机系统中的温度检测器的温度检测信号，检测出设置在气轮机系统中的燃烧器的燃气温度，该燃烧温度高速检测设备包括高速检测装置，该高速检测装置通过根据温度检测器的温度检测滞后特性、对温度检测信号进行处理而预测出燃气温度。

根据这一方面，即使在温度检测器中存在检测滞后，也能够高速度地检测出燃气温度。利用如此获得的数据来进行温度控制能够实现高速温度控制。

在本发明的第二方面，本发明第一方面的高速检测装置可以是相位超前处理装置。根据这一方面，即使在温度检测器中存在检测滞后，也能够高速地检测出燃气温度。使用如此获得的数据来进行温度控制能够实现高速温度控制。此外，采用相位超前处理装置，能够获得简单有效的高速检测装置。

在本发明的第三方面，本发明第二方面的燃烧温度高速检测设备可进一步包括相位滞后处理装置，用于对温度检测信号中的阶跃变化进行减缓。根据这一方面，气轮机系统操作过程中所不允许的阶跃温度变化得以减缓，从而使燃气温度的高速检测更适用于气轮机系统。

在本发明的第四方面，本发明第二或第三方面的燃烧温度高速检测设备可以再进一步地包括用于从温度检测信号中滤除已混入温度检测信号中的高频电干扰的一阶滞后过滤装置。根据这一方面，可以滤除温度检测信号中的高频电干扰(噪音成分)。可以使燃烧温度高速检测更适用于气轮机系统。

在本发明的第五方面，本发明第二、三或四方面的燃烧温度高速检测设备进一步地还可以包括用以滤除温度检测信号中的高频成分的温度变化过滤装置。根据这一方面，可以将通常不应在气轮机系统的操作过程中出现的高频波动成分从温度检测信号中剪切掉，从而可以使燃气温度的高速检测更适用于气轮机系统。

在本发明的第六方面，本发明第二、三、四和五方面的燃烧温度高速检测设备进一步还可以包括干扰过滤装置，此干扰过滤装置包括：具有短时间常数的第一一阶滞后过滤装置；具有长时间常数的第二一阶滞后过滤装置；以及用于选择出第一和第二一阶滞后过滤装置输出值中的较高输出值的高值选择装置。根据这一方面，能够使燃气温度的高速检测更适用于气轮机系统。也就是说，当温度变化到较高侧时，减少干扰过滤处理；如果可能的话，当燃气温度发生实际变化(而非干扰)时，控制温度检测信号T1的变化。该方法能够避免由于燃烧温度的过度升高而造成的燃烧器损坏。另一方面，当温度变化到低侧时，加强干扰过滤以便不会认定燃气温度过低。该方法能够避免燃料供应量过度增加。

附图说明

从下文给出的详细说明以及仅用来解释说明而不限制本发明的附图中将会更全面地理解本发明。

图1A是气轮机系统的结构示意图，图1B是安装在气轮机系统中的温度检测设备的放大图；

图2是根据本发明的实施例的燃烧温度高速检测设备的结构图；

图3A和3B给出的说明性附图表示燃烧温度高速检测设备中设置的一阶滞后过滤部分的功能；

图4给出的说明性费用表示燃烧温度高速检测设备中设置的相位滞后处理部分的功能；

图5给出的说明性附图表示燃烧温度高速检测设备中设置的温度变化过滤部分的功能；以及

图6A-6C给出的说明性附图表示燃烧温度高速检测设备中设置的干扰过滤部分的功能。

具体实施方式

下面将参考对本发明不构成限制的附图来详细描述本发明的实施例。

如图1A的结构示意图和图2的示意图所示，气轮机系统1具有气轮机2、多个燃烧器3和压缩机4。

压缩机4具有耦合到气轮机2旋转轴上的旋转轴。压缩机4由气轮机2旋转驱动以对自空气吸入部分5吸入的空气进行压缩，并将压缩空气输入到燃烧器3中。在燃烧器3中，从燃料供应装置6供应的燃料由来自压缩器4的压缩空气进行燃烧。最终的燃气(燃能)旋转驱动气轮机2，如上所述，气轮机2再旋转驱动压缩机4，同时也旋转驱动发电机7，以产生电能。

如图1A，1B和图2所示，气轮机系统1配置有温度检测器8，燃烧温度高速检测设备10、及温度控制器30。在图2中，燃烧温度高速检测设备10和温度控制器30用信号流程的系统图(方框图)来表示。图2中的符号S是拉普拉斯算子。

如图1A所示，温度检测器8设置在气轮机2的下游端(即燃气出口一侧)以检测燃烧器3的燃气温度。为了检测出燃气温度，需要在燃烧器3的燃气出口处或气轮机2的上游端(燃气入口侧)安装温度检测器。在这些位置上，燃气温度太高(如1300℃-1500℃)以至于无法将温度检测设备安装在这些位置上。因此，如上所述，温度检测器8只能安装在气轮机2的下游端。

如图1B所示，温度检测器8可以是放在保护材料8a中的热电偶8b。即使在气轮机2的下游端，燃气温度相对来说仍比较高(如600℃-800℃)，流速也高，因此，热电偶8b通过被放在保护材料8a中而受到保护。因此由于使用了保护材料8a，温度检测器8中就会出现燃气温度检测滞后的情况。如图2所示，温度检测器8的温度检测滞后特性可以用时间常数为30s的一阶滞后来表示(即1/(1+30s))。

如图2所示，燃烧温度高速检测设备10的相位超前滞后处理部分11具有相位超前处理部分11A，相位超前处理部分11A响应温度检测器8的温度检测滞后特性，通过处理温度检测器8的检测信号T1，作为高速检测装置进行(1+30s)的相位超前补偿从而预测出燃气温度。在相位超前处理部分11A中，将微分增益设置为30以与温度检测器8的30s的一阶滞后时间常数相对应。

因此，温度检测器8的温度检测信号T1由相位超前处理部分11A进行(1+30s)的相位超前处理。结果，温度检测信号T1的(1+30s)的一阶滞后得以消除从而得到(预测出)燃烧器3的燃气温度。也就是说，高速检测出了燃气温度。简而言之，相位超前部分11A进行微分处理以得到温度检测信号T1的温度变化，并用增益30乘以该温度变化，从而可以预测出燃气温度将升高多少。

毫无疑问，如果温度检测器8的一阶滞后时间常数小于30s(例如15s或20s)，则还可以根据一阶滞后时间常数来调整相位超前处理部分11A的微分增益(如可以调整成15或20)。

此外，除了相位超前处理部分11A之外，燃烧温度高速检测设备10还包括多个过滤部分11B、12、13和14，这些过滤部分设计成使燃烧温度高速检测设备10更适用于气轮机系统1。

一阶滞后过滤部分12作为一阶滞后过滤装置，用来消除提供到温度检测器8的温度检测信号T1中的高濒电干扰(噪声成分)。当使用高输出电机时，例如，受高输出电机作用的影响，高频电干扰(图3A中的虚线)就会不断地进入到温度检测器8的温度检测信号(电信号)T1(图3A和3B中的实线)中。

因此，将一阶滞后过滤部分12设置为(1/(1+0.25s))。在该一阶滞后过滤部分12中，设定适于滤除电干扰的时间常数(所示实例中是0.25s)。如图3B所示，可以从温度检测信号T1中滤除混合在温度检测信号T1中的高频电干扰(200us，50℃的脉冲)。当然，可以根据电干扰的特性来适当调整一阶滞后时间常数。

相位超前滞后处理部分11具有相位滞后处理部分11B。相位滞后处理部分11B适于进行(1/(1+10s))的相位滞后补偿，其被用作为相位滞后处理装置从而对温度检测器8的温度检测信号T1的阶跃变化进行放缓。相位超前处理部分11A响应图4中实线所示的温度检测信号T1的阶跃突变(突升或突降)而产生一过响应(溢出)。这种阶跃突变在气轮机系统1的操作中是不允许的。也就是说，如果只设置相位超前处理部分11A，则在气轮机系统1的操作中可能会出现过响应从而造成温度控制不稳定的后果。

因此，通过设置相位滞后处理部分11B来稳定温度控制，尽管这样作有悖于高速检测的目的。在处理一阶滞后的相位滞后处理部分11B中，它的时间常数(在所示实例中为10s)被设定成小于温度控制器8的一阶滞后时间常数。如图4中虚线所示，相位滞后处理部分11B能够减缓温度检测信号T1中的阶跃变化从而稳定温度控制。相位滞后处理部分11B的一阶滞后时间常数约为10s。即使进行这种程度的相位滞后处理，与温度检测器8中30s的一阶滞后时间常数相比，也能实现大约3倍高的速度检测。因此，不会影响所要求的高速温度控制。

温度变化过滤部分13作为温度变化过滤装置，用于滤出温度检测器8的温度检测信号T1的高频分量。也就是说，通常不能想象在气轮机系统1的操作中燃烧器3的燃气温度以2-3Hz的高频或更高的频率波动。因此，设置温度变化过滤部分13作为高频剪切过滤器(低通滤波器)来滤除2-3Hz或更高的高频成分。就是说，温度变化过滤部分13处理二阶滞后，二阶滞后的各个常数的设定成如图2所示，其中如图5所示，剪切频率被设定成2-3Hz。毫无疑问，剪切频率并不限定于2至3Hz而是通过调整在先的时间常数来将其调整成其他频率。

干扰过滤部分14设置成干扰过滤装置，用于将燃气温度的实际变化与干扰(干扰过滤)分开，并由于响应于燃气温度的变化(升高或降低)而使干扰过滤达到最优。

具体地说，干扰过滤部分14包括一阶滞后过滤部分14A，其用作具有相对较短时间常数(所示实例中为1s)的第一一阶滞后过滤装置；一阶滞后过滤部分14B，其用作具有相对较长时间常数(所示实例中为5s)的第二一阶滞后过滤装置；和高值选择部分14C，其用于选择一阶滞后部分14A和14B的输出值中的较高值。

例如，当温度检测信号T1如图6A中实线所示升高时，图中虚线所示的一阶滞后过滤部分14A的输出值高于图中点划线所示的一阶滞后过滤部分14B的输出值。因此，高值选择部分14C选择并输出在前一输出值。另一方面，当温度检测信号T1如图6B中实线所示下降时，图中点划线所示的一阶滞后过滤部分14B的输出值高于图中虚线所示的一阶滞后过滤部分14A的输出值，因此，高值选择部分14C选择并输出前一输出值。

当燃气温度(温度检测信号T1)如图6C中实线所示变化时，例如，如果温度检测信号T1升高，图中双点划线所示的干扰过滤部分14的输出迅速响应(跟踪)并升高，如果温度检测信号T1下降，图中双点划线所示的干扰过滤部分14的输出则响应缓慢(跟踪)并下降。

就是说，燃气温度变高侧比变低侧对气轮机系统1的影响更为严重一些。这是因为，如果燃烧温度变得太高，燃烧器3将会损坏，因此在温度升高的情况下尤其需要进行及时的控制温。因此，高值选择部分14C选择出时间常数不同的一阶滞后过滤部分14A和14B的较高输出值，从而在温度变化到较高侧时，减少干扰过滤，并且如果可能的话，当燃气温度发生实际变化(而非干扰)时，控制温度检测信号T1中的变化。另一方面，在温度变化到低侧时，加强干扰过滤，从而不会将燃气温度判定得过低。此方法能够避免燃料供应量过高。

由燃气温度高速检测设备10所获得的燃气温度高速检测值T2输出(以反馈的形式)到温度控制器30中。温度控制器30具有偏差计算部分31，偏差计算部分31用于确定出温度高速检测值T2和温度理想值T0之间的温度差ΔT(即ΔT＝T0-T2)；温度控制器30还有比例积分计算部分32，该比例积分计算部分32用于对温度差ΔT进行比例积分运算以获得温度控制信号TC，之后将此信号输出到燃料供应设备6中。如果温度高速检测值T2低于温度理想值T0，则温度控制信号TC变成用于燃料供应量的增加请求信号；如果温度高速检测值T2高于温度理想值T0，则温度控制信号TC用于燃料供应量的减少请求信号。燃料供应设备6根据温度控制信号TC来调整燃烧器3的燃料供应量。

因此，可以控制燃烧器3的燃气温度(温度检测值T1和T2)，使其变为温度理想值T0。此外，此时的温度控制是根据温度高速检测值T2、即由具有相位超前处理部分11A的燃烧温度高速检测设备10在高速下检测得到的温度值来进行调节的。因此，此温度控制较之传统的温度控制具有速度高的特点。

此外，燃烧温度高速检测设备10不仅具有相位超前处理部分11A、而且还有相位滞后处理部分11B、一阶滞后过滤部分12、温度变化过滤部分13、以及干扰过滤部分14(一阶滞后过滤部分14A，14B、高值选择部分14C)。因此，由燃烧温度高速检测设备10检测得到的温度高速检测值T2是更适合于气轮机系统1的燃气温度控制的温度检测值。

燃烧温度高速检测设备10各个处理部分11、12、13和14以及温度控制器30各个运算部分31和32都由软件构成，其处理过程由微机来进行。当然，燃烧温度高速检测设备10中的各个处理部分之间的顺序可任意改变。即使这样，它们的功能也不变。例如相位超前滞后处理部分11和干扰过滤部分14可以互换。

在前面的实施例中，采用简单有效的相位超前处理方法(相位超前处理部分11A)来实现燃气温度的高速检测的；然而，不必严格限制仅使用这种方法，也可以用这种高速检测方法，即根据温度检测器8的温度检测滞后特性来处理温度检测信号T1，从而预测出燃气温度。例如，可以事先准备好表示温度检测信号T1和实际燃气温度之间相关性的温度表，并根据此温度表和温度检测信号T1预测出燃气温度，从而实现高速检测。

尽管已借助于上述实施例对本发明进行了描述，但应当知道本发明并不限于上述实施例，可以以其他许多方式变化或改变。这种变化或改变不能被认为背离了本发明的实质和范围，而且所有对于本领域的普通技术人员来说显而易见的变化或改变都应包括在所附的权利要求书的范围之内。

Claims (6)

1、一种燃烧温度高速检测设备，用于根据安装在所述气轮机系统中的温度检测器的温度检测信号来检测出设置在气轮机系统中的燃烧器的燃气温度，此燃烧温度高速检测设备包括：

高速检测装置，该高速检测装置通过根据所述温度检测器的温度检测滞后特性对所述温度检测信号进行处理、而预测出所述燃气温度。

2、根据权利要求1所述的燃烧温度高速检测设备，其中，所述的高速检测装置是相位超前处理装置。

3、根据权利要求2所述的燃烧温度高速检测设备，进一步包括用于减缓所述温度检测信号中的阶跃变化的相位滞后处理装置。

4、根据权利要求2或3所述的燃烧温度高速检测设备，进一步包括一阶滞后过滤装置，该一阶滞后过滤装置用于从所述温度检测这中滤除已混入所述温度检测信号中的高频电干扰。

5、根据权利要求2、3或4所述的燃烧温度高速检测设备，进一步包括用于将所述温度检测信号中的高频成分滤除的温度变化过滤装置。

6、根据权利要求2、3、4或5所述的燃烧温度高速检测设备，进一步包括干扰过滤装置，该干扰过滤装置包括：

具有短时间常数的第一一阶滞后过滤装置；

具有长时间常数的第二一阶滞后过滤装置；以及

用于选择所述第一和第二一阶滞后过滤装置中的较高输出值的高值选择装置。

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