國外燃氣輪機燃燒監測系統的分析對比

楊志鵬，楊景祺，章偉杰

(上海發電設備成套設計研究院,上海 200240)

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國外燃氣輪機燃燒監測系統的分析對比

楊志鵬，楊景祺，章偉杰

(上海發電設備成套設計研究院,上海 200240)

介紹了排氣溫度分布監測和燃燒動態壓力監測兩種對燃氣輪機燃燒監測與保護方法，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，分別對其燃燒監測與保護系統的系統布置和報警保護邏輯進行了分析和對比，得出每種系統的特點，為我國燃氣輪機自主研發提供借鑒。

燃氣輪機； 燃燒監測； 排氣分散度； 燃燒動態壓力

隨著經濟發展，我國對電力工業的需求和環境保護壓力不斷增大，具有聯合循環效率高、環境污染小、啟停快速、占地耗水少等優點的燃氣輪機發電技術逐漸受到重視。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鍵因素。

為了提升燃氣輪機效率，燃氣初溫越來越高，F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一些破裂、損壞等故障。據統計，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[1]，而且會造成重大的安全事故和經濟損失。燃燒監測系統可以根據測量得到的熱工參數，使用電腦軟件進行計算處理，實現對燃燒的監視、分析、診斷以及報警和保護，能夠及時預測和發現故障并將損失降到最低，燃燒監測系統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、三菱公司都研發出了各自的燃燒監測系統，筆者將對燃燒監測系統進行研究，并對三家燃機廠商的燃燒監測系統進行對比和分析，為我國燃氣輪機自主研發提供借鑒思路。

1 排氣溫度分布監測

對于燃燒監測與保護，最直接的方式是監測噴嘴、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、燃燒不正常或其他燃燒器異常時，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和最低讀數之間的差；

S2：2號分散度，排氣熱電偶的最高讀數和第二低讀數之間的差；

S3：3號分散度，排氣熱電偶的最高讀數和第三低讀數之間的差。

系統中的允許分散度Sallow并不是固定的常數，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之間的比值會發生變化，系統利用該比值以及相應測點相鄰情況作為判據，根據相應的判斷邏輯來實現燃燒的監測與保護[2]。具體邏輯見圖1。

圖1 GE公司排氣溫度分布監測的判斷邏輯

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中設置了冷點以及熱點保護來監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定值以上則產生報警；若相鄰的三個測點和平均值的偏差超過設定值則發出停機信號；若相鄰四個測點和平均值的偏差超過設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，如果超過了設定值則發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燃燒監測。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，保護系統還同時監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合測點的相鄰條件對溫度場分布進行判斷，從而實現燃燒監測與保護。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，相比于采用環型燃燒室的西門子機組和采用環管型燃燒室的三菱機組，其排氣溫度分布均勻度較差，系統布置的溫度測點也最多。

(3) GE公司的系統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，能夠更加準確地判斷燃燒狀態。

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

2 燃燒動態壓力監測

除了排氣溫度分布監測外，各家廠商還推出了燃燒動態壓力監測系統來實時監測燃燒的狀態，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計更多地采用預混燃燒方式，但是預混燃燒是一種不夠穩定的燃燒方式，而且容易產生由聲波、流體和放熱之間相互作用引起的振蕩現象。振蕩會造成熱量和壓力的大幅波動，使系統整體性能下降并降低燃燒室的使用壽命。在燃燒器的火焰區域，燃燒產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生大量的熱量，從而又加劇了聲光的釋放，激發了壓力波動的產生。燃燒壓力波動會造成燃燒不穩定，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，因此燃燒動態壓力監測系統利用傳感器對燃燒室內壓力波動以及殼體振動進行連續不斷地監測,可以更加直接地監測燃燒狀況，能夠準確和及時地發現燃燒故障。

2.2 燃燒動態壓力監測系統的布置

2.2.1 GE公司

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

CDM系統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)、現場接線盒(內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、網絡和相關的人機界面(HMI)組成，見圖2。來自壓力傳感器的信號經過快速傅里葉變換(FFT)后得到信號頻譜特性，再由MARKⅥe系統根據其不同頻段幅值大小實時監測燃燒的穩定性。此外系統還可以通過亞特蘭大數據總線與GE亞特蘭大監視與診斷中心相連接，實現遠程診斷和調試[5]。

圖2 GE公司CDM系統

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。該系統由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，用來實時監測燃燒是否穩定。

ARGUS系統在西門子SGT5-4000F燃氣輪機的環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系統通過測量燃燒室設備的振動加速度和動態壓力數據，在Host-PC主機上顯示實時監測的數據和后臺分析的頻譜信息，并將數據上傳至控制系統進行燃氣輪機機組的控制和保護。系統還可以通過西門子公司的遠程診斷系統，將數據上傳到西門子全球實時監控診斷中心，對機組工況進行分析和故障診斷。

圖3 西門子公司ARGUS系統測點分布

除此之外，西門子在其保護系統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的監測與保護。

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測系統(Combustion Pressure Fluctuation Monitoring System，簡稱CPFM系統),對燃燒進行監視報警以及聯鎖保護,能夠優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(環形對稱布置),分別監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個傳感器的信號經過放大和轉換處理后，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)來實時監測燃燒狀況。

在CPFM系統的基礎上，三菱公司還開發了改進版系統advanced CPFM(ACPFM)。該系統實時采集燃氣輪機參數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整功能。CPFM和ACPFM是各自獨立的系統，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整。

圖4 三菱公司CPFM系統測點分布

圖5 三菱公司CPFM探頭安裝位置

2.3 燃燒動態壓力監測系統的報警與保護

2.3.1 GE公司

CDM系統將燃燒動態壓力頻率范圍分為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系統動態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出報警的條件如下：

(1) 機組轉速達到額定運行轉速；

(2) 沒有跳閘信號；

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

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

2.3.2 西門子公司

西門子ARGUS系統可以監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定，并根據觀察到的數值大小進行相應手動調整，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的壓力值和加速度值可以實時判斷當前的燃燒狀態[10]。

根據壓力信號判斷燃燒穩定性的原則如下：

(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值，如果大于或者等于低頻段值，則燃燒處于非常不穩定的階段，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，否則燃燒將會不平穩。

以上4點必須同時滿足，可以確認燃燒穩定;否則處于不穩定狀態。

加速度信號的判斷原則和壓力信號類似，區別在于中頻段加速度值變化很小，與燃燒狀態無關，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值，如果其大于或等于低頻段值，則燃燒處于非常不穩定的階段，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，且保持穩定，如果其突然增加，則燃燒會變不穩定。

ARGUS系統只是判斷燃燒狀態的工具，需要結合嗡鳴保護和加速度保護才能實現對燃氣輪機的燃燒監測與保護。

2.3.3 三菱公司

CPFM為M701F機組提供了聯鎖保護功能，一旦監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其頻率范圍區分為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,系統將觸發快速減負荷指令,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出60%負荷高報警，同時會觸發跳機指令，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，則會觸發跳機指令，使燃氣輪機馬上停機[7]。具體的聯鎖保護邏輯見圖6。

圖6 CPFM系統聯鎖保護邏輯

2.4 燃燒動態壓力監測系統對比分析

對GE、西門子、三菱三家燃機廠商的燃燒動態壓力監測系統進行比較，可以發現每個廠商的系統都是通過對信號進行頻譜分析來實現監測的，但每個廠家針對自家機組的特點進行了不同的設計，詳見表6。

表6 GE、西門子、三菱公司燃燒動態壓力監測系統對比

對比發現：

(1) 西門子公司布置的傳感器數量最少，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機組為環管型燃燒室，燃燒室都由很多火焰筒組成，需要單獨監測每一個火焰筒內的動態壓力變化。

(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，分別監測燃燒動態壓力波動及其引起的燃燒室殼體振動，能夠更準確地監測燃燒動態壓力；而GE只布置了壓力傳感器。

(3) 西門子和三菱公司設計了報警和相應的保護邏輯，能夠實現自動快速降負荷和跳機保護，保證了機組運行的安全；GE系統只設計了報警邏輯，沒有聯鎖保護功能，需要運行人員加強監測同時手動調整來保證機組安全。

(4) GE和西門子公司的燃燒動態壓力監測系統都有遠程診斷功能，能夠實現遠程監測，并由專家及時發現并排除機組故障。

3 結語

本文對GE、西門子、三菱公司F級燃氣輪機代表機型燃燒監測與保護系統的系統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的特點。由于不同燃氣輪機的燃燒系統結構和原理不同，因此針對其設計的傳感器數量多少、溫度測點的數量多少、頻譜分段的數量多少并沒有可比性，不能直接反應監測系統的準確性，但是每種燃燒監測系統的系統布置、保護邏輯以及針對燃氣輪機特點設計開發燃燒監測系統的理念都為國產燃氣輪機自主研發提供了思路。

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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以及建模仿真。

E-mail: yangzhipeng@speri.com.cn

TK477

A

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