國外燃氣輪機燃燒監(jiān)測系統(tǒng)的分析對比

楊志鵬，楊景祺，章偉杰

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院,上海 200240)

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國外燃氣輪機燃燒監(jiān)測系統(tǒng)的分析對比

楊志鵬，楊景祺，章偉杰

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院,上海 200240)

介紹了排氣溫度分布監(jiān)測和燃燒動態(tài)壓力監(jiān)測兩種對燃氣輪機燃燒監(jiān)測與保護方法，并闡述了其工作原理。以GE、西門子、三菱三家重型燃氣輪機廠商的F級燃氣輪機為例，分別對其燃燒監(jiān)測與保護系統(tǒng)的系統(tǒng)布置和報警保護邏輯進行了分析和對比，得出每種系統(tǒng)的特點，為我國燃氣輪機自主研發(fā)提供借鑒。

燃氣輪機； 燃燒監(jiān)測； 排氣分散度； 燃燒動態(tài)壓力

隨著經(jīng)濟發(fā)展，我國對電力工業(yè)的需求和環(huán)境保護壓力不斷增大，具有聯(lián)合循環(huán)效率高、環(huán)境污染小、啟?？焖佟⒄嫉睾乃俚葍?yōu)點的燃氣輪機發(fā)電技術(shù)逐漸受到重視。燃燒室是燃氣輪機三大部件之一，也是工作溫度最高的部件，被譽為燃氣輪機的心臟，其可靠性是燃氣輪機安全高效運行的關(guān)鍵因素。

為了提升燃氣輪機效率，燃氣初溫越來越高，F(xiàn)級燃氣輪機的燃氣初溫已超過1 300 ℃，更為先進的H級燃氣輪機燃氣初溫已經(jīng)達到1 426 ℃，在如此高的溫度下運行，燃燒室和過渡段等熱部件難免會出現(xiàn)一些破裂、損壞等故障。據(jù)統(tǒng)計，在燃氣輪機機組運行過程中，50%以上的故障都和燃燒室有關(guān)[1]，而且會造成重大的安全事故和經(jīng)濟損失。燃燒監(jiān)測系統(tǒng)可以根據(jù)測量得到的熱工參數(shù)，使用電腦軟件進行計算處理，實現(xiàn)對燃燒的監(jiān)視、分析、診斷以及報警和保護，能夠及時預測和發(fā)現(xiàn)故障并將損失降到最低，燃燒監(jiān)測系統(tǒng)對于燃氣輪機的安全高效運行具有非常重要的意義。

目前世界三大重型燃氣輪機廠商GE、西門子、三菱公司都研發(fā)出了各自的燃燒監(jiān)測系統(tǒng)，筆者將對燃燒監(jiān)測系統(tǒng)進行研究，并對三家燃機廠商的燃燒監(jiān)測系統(tǒng)進行對比和分析，為我國燃氣輪機自主研發(fā)提供借鑒思路。

1 排氣溫度分布監(jiān)測

對于燃燒監(jiān)測與保護，最直接的方式是監(jiān)測噴嘴、燃燒室和過渡段等熱通道部件的溫度，但在燃氣輪機運行時這些部件因溫度過高而難以進行直接測量，一般只能通過測量透平排氣溫度的間接監(jiān)測方法來判斷高溫部件的工作是否正常。當燃料流量分配器故障、火焰筒破裂、燃燒不正?；蚱渌紵鳟惓r，都會導致透平流場和排氣溫度流場分布嚴重不均勻。因此，只要監(jiān)測排氣溫度場是否均勻就可以間接地判斷燃燒是否正常。

GE公司9F機組的保護系統(tǒng)在排氣通道安裝了31根均勻分布的排氣測溫熱電偶，并定義了三種分散度來描述溫度分布的均勻度：

S1：1號分散度，排氣熱電偶的最高讀數(shù)和最低讀數(shù)之間的差；

S2：2號分散度，排氣熱電偶的最高讀數(shù)和第二低讀數(shù)之間的差；

S3：3號分散度，排氣熱電偶的最高讀數(shù)和第三低讀數(shù)之間的差。

系統(tǒng)中的允許分散度Sallow并不是固定的常數(shù)，因為不同工況下，燃氣初溫和排氣溫度都不同，排氣溫度的分散度也不同。因此系統(tǒng)用壓氣機的出口溫度和透平平均排氣溫度來計算隨工況變化的排氣溫度允許分散度。

當排氣溫度分布不均勻時，S1、S2、S3與Sallow之間的比值會發(fā)生變化，系統(tǒng)利用該比值以及相應測點相鄰情況作為判據(jù)，根據(jù)相應的判斷邏輯來實現(xiàn)燃燒的監(jiān)測與保護[2]。具體邏輯見圖1。

圖1 GE公司排氣溫度分布監(jiān)測的判斷邏輯

西門子和三菱公司的處理方法則比較簡單。西門子公司SGT5-4000F機組排氣溫度保護系統(tǒng)中設(shè)置了冷點以及熱點保護來監(jiān)測燃燒器的燃燒狀況。冷點保護就是將一個測點的測量值和24個測點的平均值進行比較，若相鄰的兩個測點和平均值的偏差都達到設(shè)定值以上則產(chǎn)生報警；若相鄰的三個測點和平均值的偏差超過設(shè)定值則發(fā)出停機信號；若相鄰四個測點和平均值的偏差超過設(shè)定值則直接遮斷燃機。熱點保護同樣用一個測點的測量值和24個測點的平均值相比較，如果超過了設(shè)定值則發(fā)出相應報警或者遮斷機組信號[3]。

三菱公司M701F機組通過判斷每個葉片通道溫度的分散度是否超過允許值的方法來實現(xiàn)燃燒監(jiān)測。某個測點溫度的分散度被定義為該測點溫度值和所有20個測點的溫度均值之差。當分散度超過+30 ℃或-60 ℃時就具備了跳機的條件，同時將進一步判斷超限測點相鄰的兩個測點是否也存在一定程度的分散度較大(超過±7 ℃)。此外，保護系統(tǒng)還同時監(jiān)測著每個測點的溫度變化趨勢，當某個測點的溫度分散度變化速度超過了限定值時則自動執(zhí)行正常停機程序[4]。

通過對比可以看到：

(1) 三家廠商都定義了各自的分散度，將其與允許值進行比較并結(jié)合測點的相鄰條件對溫度場分布進行判斷，從而實現(xiàn)燃燒監(jiān)測與保護。同時針對各自機型的特點，三家廠商的測點布置和判斷邏輯都有所不同。

(2) GE 9F機組采用了分管型燃燒室，相比于采用環(huán)型燃燒室的西門子機組和采用環(huán)管型燃燒室的三菱機組，其排氣溫度分布均勻度較差，系統(tǒng)布置的溫度測點也最多。

(3) GE公司的系統(tǒng)考慮了實際工況對排氣溫度分布的影響，將壓氣機出口溫度和排氣平均溫度作為計算排氣溫度允許分散度的依據(jù)，能夠更加準確地判斷燃燒狀態(tài)。

(4) 三菱的系統(tǒng)中還對排氣溫度分散度的變化速度進行了監(jiān)視，一定程度上加強了對燃燒狀態(tài)的監(jiān)測。

2 燃燒動態(tài)壓力監(jiān)測

除了排氣溫度分布監(jiān)測外，各家廠商還推出了燃燒動態(tài)壓力監(jiān)測系統(tǒng)來實時監(jiān)測燃燒的狀態(tài)，并提供了報警和保護功能。

2.1 燃燒壓力波動原理

為了降低氮氧化物排放同時提高燃燒效率，目前燃氣輪機燃燒室設(shè)計更多地采用預混燃燒方式，但是預混燃燒是一種不夠穩(wěn)定的燃燒方式，而且容易產(chǎn)生由聲波、流體和放熱之間相互作用引起的振蕩現(xiàn)象。振蕩會造成熱量和壓力的大幅波動，使系統(tǒng)整體性能下降并降低燃燒室的使用壽命。在燃燒器的火焰區(qū)域，燃燒產(chǎn)生的熱量通過聲光的形式釋放出來，此時若有天然氣燃料熱值的變化、環(huán)境溫度的變化甚至濕度變化等外界因素干擾時，劇烈的聲光釋放又會產(chǎn)生大量的熱量，從而又加劇了聲光的釋放，激發(fā)了壓力波動的產(chǎn)生。燃燒壓力波動會造成燃燒不穩(wěn)定，影響機組安全運行，嚴重超限的高頻壓力波動會直接導致熱部件損壞，而低頻的壓力波動則會造成熄火。

當燃燒不穩(wěn)定時，燃燒壓力波動會對周圍空氣壓力場造成影響，甚至會引起燃燒室殼體振動的變化，因此燃燒動態(tài)壓力監(jiān)測系統(tǒng)利用傳感器對燃燒室內(nèi)壓力波動以及殼體振動進行連續(xù)不斷地監(jiān)測,可以更加直接地監(jiān)測燃燒狀況，能夠準確和及時地發(fā)現(xiàn)燃燒故障。

2.2 燃燒動態(tài)壓力監(jiān)測系統(tǒng)的布置

2.2.1 GE公司

GE公司推出的燃燒室連續(xù)動壓監(jiān)測系統(tǒng)(Continuous Dynamic Monitoring System,簡稱CDM系統(tǒng))，配合9F機組排氣溫度分布監(jiān)測系統(tǒng)，能夠較早地發(fā)現(xiàn)燃燒存在的問題，避免燃燒室發(fā)生嚴重損害，保障了機組的安全穩(wěn)定運行。

CDM系統(tǒng)由安裝在燃氣輪機燃燒室上的18只壓力探頭(對應于18個燃燒器)、現(xiàn)場接線盒(內(nèi)部包括動壓的放大電路板及其電源)、用于信號檢測的MarkⅥe I/O模件及端子板、網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)的人機界面(HMI)組成，見圖2。來自壓力傳感器的信號經(jīng)過快速傅里葉變換(FFT)后得到信號頻譜特性，再由MARKⅥe系統(tǒng)根據(jù)其不同頻段幅值大小實時監(jiān)測燃燒的穩(wěn)定性。此外系統(tǒng)還可以通過亞特蘭大數(shù)據(jù)總線與GE亞特蘭大監(jiān)視與診斷中心相連接，實現(xiàn)遠程診斷和調(diào)試[5]。

圖2 GE公司CDM系統(tǒng)

2.2.2 西門子公司

西門子公司SGT5-4000F燃氣輪機的燃燒室配置了一套ARGUS OMDS應用系統(tǒng)。該系統(tǒng)由Host-PC主機、信號預處理模件和振動加速度/壓力傳感器三大部分組成，用來實時監(jiān)測燃燒是否穩(wěn)定。

ARGUS系統(tǒng)在西門子SGT5-4000F燃氣輪機的環(huán)型燃燒室上安裝了共7個專用傳感器，包括2個CA901型振動加速度傳感器和5個CP216型壓力傳感器，測點分布見圖3[6]，其中壓力傳感器又稱嗡鳴或蜂鳴傳感器。ARGUS系統(tǒng)通過測量燃燒室設(shè)備的振動加速度和動態(tài)壓力數(shù)據(jù)，在Host-PC主機上顯示實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)和后臺分析的頻譜信息，并將數(shù)據(jù)上傳至控制系統(tǒng)進行燃氣輪機機組的控制和保護。系統(tǒng)還可以通過西門子公司的遠程診斷系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)上傳到西門子全球?qū)崟r監(jiān)控診斷中心，對機組工況進行分析和故障診斷。

圖3 西門子公司ARGUS系統(tǒng)測點分布

除此之外，西門子在其保護系統(tǒng)中加入了嗡鳴保護和加速度保護功能，和ARGUS共同作用于燃燒狀態(tài)的監(jiān)測與保護。

2.2.3 三菱公司

三菱公司為M701F機組配備了燃燒室壓力波動監(jiān)測系統(tǒng)(Combustion Pressure Fluctuation Monitoring System，簡稱CPFM系統(tǒng)),對燃燒進行監(jiān)視報警以及聯(lián)鎖保護,能夠優(yōu)化機組的性能和效率，同時起到保護熱通道部件的作用。

CPFM系統(tǒng)在M701F燃氣輪機20個燃燒器上共安裝了20個CP237型壓力傳感器(對應于每個燃燒器),并在3號、8號、13號、18號燃燒器上各安裝了一個CA134型振動加速度傳感器(環(huán)形對稱布置),分別監(jiān)測燃燒室壓力波動和振動加速度，測點分布見圖4[7]。CPFM 系統(tǒng)采用壓電式傳感器,所以使用接觸式安裝方式,其安裝位置見圖5。24個傳感器的信號經(jīng)過放大和轉(zhuǎn)換處理后，由燃燒器壓力波動分析站 (CPFA)分析,運行人員可以通過操作員站( OPS)來實時監(jiān)測燃燒狀況。

在CPFM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，三菱公司還開發(fā)了改進版系統(tǒng)advanced CPFM(ACPFM)。該系統(tǒng)實時采集燃氣輪機參數(shù)并提前預警燃燒壓力波動，能夠提供一定程度的自動燃燒調(diào)整功能。CPFM和ACPFM是各自獨立的系統(tǒng)，CPFM主要完成自動降負荷及跳閘的功能，而ACPFM主要完成預報警及自動調(diào)整。

圖4 三菱公司CPFM系統(tǒng)測點分布

圖5 三菱公司CPFM探頭安裝位置

2.3 燃燒動態(tài)壓力監(jiān)測系統(tǒng)的報警與保護

2.3.1 GE公司

CDM系統(tǒng)將燃燒動態(tài)壓力頻率范圍分為5個頻段，命名約定如下: 熄火頻段、低頻段、中頻段、高頻段、極高頻段[8]。某廠CDM系統(tǒng)動態(tài)壓力頻段和報警值見表1。

表1 CDM壓力頻段和報警值

表1中壓力超過定值時發(fā)出報警的條件如下：

(1) 機組轉(zhuǎn)速達到額定運行轉(zhuǎn)速；

(2) 沒有跳閘信號；

(3) 進口可轉(zhuǎn)導葉(IGV)與燃料行程基準(FSR)在穩(wěn)定狀態(tài)，或變化較小情況下，即在300 s內(nèi)IGV變化不超過1°，F(xiàn)SR不超過2% 。

在18個壓力波動值中，若同一頻段出現(xiàn)了任意兩個信號報警時，運行人員應及時通知相關(guān)部門，并根據(jù)燃燒情況選擇降負荷或停機處理。CDM系統(tǒng)能夠監(jiān)測燃燒動態(tài)壓力并及時報警，但不具備聯(lián)鎖保護功能，需要在運行中加強監(jiān)測，及時采取措施。

2.3.2 西門子公司

西門子ARGUS系統(tǒng)可以監(jiān)測不同頻率下的壓力值和振動加速度值，從而判斷當前燃燒是否穩(wěn)定，并根據(jù)觀察到的數(shù)值大小進行相應手動調(diào)整，同時配合嗡鳴保護和加速度保護(其中嗡鳴只做顯示，加速度則帶保護)保證機組安全高效運行。

在西門子控制邏輯中，加速度保護的相關(guān)邏輯見表2、表3[9]。

表2 西門子加速度保護減負荷條件

表3 西門子加速度保護跳閘條件

ARGUS系統(tǒng)將壓力信號和加速度信號分為三個頻段：低頻段(0～90 Hz)、中頻段(105～115 Hz)、高頻段(140～160 Hz)，通過判斷三個頻段內(nèi)的壓力值和加速度值可以實時判斷當前的燃燒狀態(tài)[10]。

根據(jù)壓力信號判斷燃燒穩(wěn)定性的原則如下：

(1) 當燃氣輪機運行時，高頻段的壓力值應該小于低頻段的數(shù)值，如果大于或者等于低頻段值，則燃燒處于非常不穩(wěn)定的階段，隨時可能跳機。

(2) 低頻段的壓力值不能過大。

(3) 高頻段的壓力值應該較小。

(4) 中頻段的壓力值應當遠小于高頻段和低頻段，而且必須保持平穩(wěn)，否則燃燒將會不平穩(wěn)。

以上4點必須同時滿足，可以確認燃燒穩(wěn)定;否則處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

加速度信號的判斷原則和壓力信號類似，區(qū)別在于中頻段加速度值變化很小，與燃燒狀態(tài)無關(guān)，具體如下：

(1) 燃氣輪機運行時，高頻段的加速度值應遠小于低頻段的數(shù)值，如果其大于或等于低頻段值，則燃燒處于非常不穩(wěn)定的階段，隨時可能跳機。

(2) 低頻段的加速度值不能過大，但必須大于高頻段。

(3) 高頻段的加速度值必須很小，且保持穩(wěn)定，如果其突然增加，則燃燒會變不穩(wěn)定。

ARGUS系統(tǒng)只是判斷燃燒狀態(tài)的工具，需要結(jié)合嗡鳴保護和加速度保護才能實現(xiàn)對燃氣輪機的燃燒監(jiān)測與保護。

2.3.3 三菱公司

CPFM為M701F機組提供了聯(lián)鎖保護功能，一旦監(jiān)測到燃燒室壓力波動初期引起的壓力變化,能夠通過快速減負荷和及時跳機來防止燃燒室熱部件的損壞。

燃燒室壓力波動可以根據(jù)其頻率范圍區(qū)分為9個頻段，頻段劃分和具體報警值見表4、表5。

表4 CPFM壓力頻段和報警值

表5 CPFM加速度頻段和報警值

當CPFM聯(lián)鎖保護已投入，在24個信號(20個壓力信號和4個加速度信號)中有任意1個超過預報警值,則發(fā)出報警,此時操作員應該視具體情況手動減負荷；當燃氣輪機實際負荷大于60%額定負荷時,若同一頻段任兩個信號超過高報警值,系統(tǒng)將觸發(fā)快速減負荷指令,會迅速將機組的負荷減到60%；若此時兩個高報警仍然存在將會發(fā)出60%負荷高報警，同時會觸發(fā)跳機指令，使燃氣輪機馬上停機；一旦同一頻段任兩個信號超過超限保護跳閘值，則會觸發(fā)跳機指令，使燃氣輪機馬上停機[7]。具體的聯(lián)鎖保護邏輯見圖6。

圖6 CPFM系統(tǒng)聯(lián)鎖保護邏輯

2.4 燃燒動態(tài)壓力監(jiān)測系統(tǒng)對比分析

對GE、西門子、三菱三家燃機廠商的燃燒動態(tài)壓力監(jiān)測系統(tǒng)進行比較，可以發(fā)現(xiàn)每個廠商的系統(tǒng)都是通過對信號進行頻譜分析來實現(xiàn)監(jiān)測的，但每個廠家針對自家機組的特點進行了不同的設(shè)計，詳見表6。

表6 GE、西門子、三菱公司燃燒動態(tài)壓力監(jiān)測系統(tǒng)對比

對比發(fā)現(xiàn)：

(1) 西門子公司布置的傳感器數(shù)量最少，共7個傳感器，而GE公司布置了18個傳感器，三菱公司布置了24個傳感器。分析其原因為西門子SGT5-4000F機組采用了環(huán)型燃燒室，整個燃燒室完全連通無需每個燃燒器單獨安裝傳感器；而GE 9F機組為分管型燃燒室，三菱M701F機組為環(huán)管型燃燒室，燃燒室都由很多火焰筒組成，需要單獨監(jiān)測每一個火焰筒內(nèi)的動態(tài)壓力變化。

(2) 西門子、三菱公司都布置了壓力和振動加速度兩類傳感器，分別監(jiān)測燃燒動態(tài)壓力波動及其引起的燃燒室殼體振動，能夠更準確地監(jiān)測燃燒動態(tài)壓力；而GE只布置了壓力傳感器。

(3) 西門子和三菱公司設(shè)計了報警和相應的保護邏輯，能夠?qū)崿F(xiàn)自動快速降負荷和跳機保護，保證了機組運行的安全；GE系統(tǒng)只設(shè)計了報警邏輯，沒有聯(lián)鎖保護功能，需要運行人員加強監(jiān)測同時手動調(diào)整來保證機組安全。

(4) GE和西門子公司的燃燒動態(tài)壓力監(jiān)測系統(tǒng)都有遠程診斷功能，能夠?qū)崿F(xiàn)遠程監(jiān)測，并由專家及時發(fā)現(xiàn)并排除機組故障。

3 結(jié)語

本文對GE、西門子、三菱公司F級燃氣輪機代表機型燃燒監(jiān)測與保護系統(tǒng)的系統(tǒng)布置和報警保護邏輯進行了介紹和對比，并分析得出了每種系統(tǒng)的特點。由于不同燃氣輪機的燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理不同，因此針對其設(shè)計的傳感器數(shù)量多少、溫度測點的數(shù)量多少、頻譜分段的數(shù)量多少并沒有可比性，不能直接反應監(jiān)測系統(tǒng)的準確性，但是每種燃燒監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)布置、保護邏輯以及針對燃氣輪機特點設(shè)計開發(fā)燃燒監(jiān)測系統(tǒng)的理念都為國產(chǎn)燃氣輪機自主研發(fā)提供了思路。

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Analysis and Comparison on Combustion Monitoring System of Overseas Gas Turbines

Yang Zhipeng,Yang Jingqi,Zhang Weijie

(Shanghai Power Equipment Research Institute,Shanghai 200240,China)

A brief introduction is presented to two methods of gas turbine combustion monitoring and protection,i.e. exhaust temperature distribution monitoring and combustion dynamic pressure monitoring,together with a description on their working principles. Taking the F class gas turbine from GE,Siemens and Mitsubishi as an example,a comparative analysis is made to the system layout of combustion monitoring and protection as well as to their alarming logics,and subsequently the characteristics of each system are obtained,which may serve as a reference for research and development of domestic gas turbines.

gas turbine; combustion monitoring; exhaust dispersity; combustion dynamic pressure

2016-08-12；

2016-11-23

楊志鵬(1992—)，男，在讀碩士研究生，研究方向為燃氣輪機控制系統(tǒng)以及建模仿真。

E-mail: yangzhipeng@speri.com.cn

TK477

A

1671-086X(2017)04-0234-06