能源研究与信息  2014, Vol. 30 Issue (4): 214-217   PDF    
引用本文
薛明华, 黄素华, 戴坤鹏. 9F型燃机多通道燃烧动态压力监测系统研究[J]. 能源研究与信息, 2014, 30(4): 214-217.
XUE Ming-hua, HUANG Su-hua, DAI Kun-peng. Research on dynamic pressure monitoring system for multichannel combustion in gas turbine power plant[J]. Energy Research and Information, 2014, 30(4): 214-217.
9F型燃机多通道燃烧动态压力监测系统研究
薛明华, 黄素华, 戴坤鹏    
上海明华电力技术工程有限公司, 上海 200090
收稿日期: 2014-02-13;
作者简介：薛明华(1983-),男(汉),工程师.研究方向:热能动力工程.E-mail:xmh2000@126.com
摘要：干式低NOx燃烧技术(DLN)能降低燃气轮机NOx排放.燃烧稳定性监测是进行干式低NOx燃烧调整的基础,而燃烧压力脉动则是反映燃烧稳定性的重要参数.研制了适用于GE公司9F型燃机的多通道燃烧动态压力监测系统,包括动态压力传感器、数据采集卡以及分析软件.现场试验显示,该系统能在线采集燃机燃烧室内多通道的压力脉动,与电厂安装的便携式动态压力监测系统(CDMS)数据进行对比,两者都在频率94、138、217、302 Hz附近存在峰值.该系统为9F型燃机进行DLN燃烧调整提供了真实、可靠的数据支持.
关键词： 燃气轮机     燃烧调整     动态压力    
Research on dynamic pressure monitoring system for multichannel combustion in gas turbine power plant
XUE Ming-hua, HUANG Su-hua, DAI Kun-peng    
Shanghai Minghua Power Technology Engineering Co., Ltd., Shanghai 200090, China
Abstract: Dry-type low NOx technology (DLN) can reduce the NOx emission for gas turbine. Combustion stability monitoring is the basis for DLN combustion adjustment, while combustion dynamic pressure is an important parameter reflecting the combustion stability. In this work, dynamic pressure monitoring system for multichannel combustion has been developed, including dynamic pressure sensors, data acquisition card, and analysis software. The on-site experiments show that the system can collect the on-line dynamic pressure data. In comparison with CDMS, the frequency of peak value can be attained using both monitoring systems, which is around 94, 138, 217 and 302 Hz. By means of on-line measurement system in 9F gas turbine, it can provide the true and reliable data for DLN combustion adjustment.
Key words: gas turbine     combustion adjustment     dynamic pressure    

大型燃气蒸汽联合循环机组以其出色的电力调峰能力、低污染排放等优势越来越得到电力行业的重视.为了降低污染物NOx的排放,这些重型燃机基本上都采取干式低NOx燃烧技术(简称DLN),即采用贫燃料均相预混燃烧,以控制燃料的燃烧温度和滞留时间,达到降低NOx排放的目的[1].当DLN燃烧调整不当时,燃气轮机轻则跳机,重则会缩短使用寿命甚至损坏燃机燃烧室热通道部件.据文献[2]介绍,采用DLN燃烧技术的燃机燃烧室热通道部件修复和更换大多数与燃烧不稳定相关,维护费用占9F型燃机非燃料成本的70%以上.

燃烧不稳定是大型燃机低NOx燃烧调整技术所面临的重要难题,主要表现为燃烧筒内压力的剧烈脉动,并发出尖锐的啸叫声.这种压力的剧烈脉动会引起燃烧室回火、喷嘴熄灭等问题[3].因此燃烧稳定性监测是进行DLN燃烧调整、控制燃烧不稳定性的基础.而燃烧压力脉动是反映燃烧稳定性的重要参数.评价燃烧器运行的安全稳定,必须建立在采集燃烧压力脉动信号基础上.

近年来,国内各研究机构对燃烧不稳定性的基础研究工作开展较多,但大多关注燃烧筒设计、燃烧基础理论以及实验室的燃烧调整与动态压力测试[4],对参与电网发电的燃机机组实际监测案例几乎没有.本文研制了基于美国通用电气GE公司9F型燃机多通道燃烧动态压力监测系统,并利用该系统在9F型燃机上进行了现场测试.本文研究的监测系统可为9F型燃机DLN燃烧调整提供真实、可靠的数据支持. 1 动态压力信号的频谱特性

燃烧动态压力监测的实质是根据燃烧筒内动态压力信号的频谱特性判断燃烧状态的稳定性,因此有必要针对9F型燃机燃烧不稳定的表现特征加以叙述.

燃烧不稳定性通常表现为燃烧室内低频、中频和高频动态压力幅值超出限定值.低频压力脉动通常发生在10~100 Hz,该频率段的压力幅值随着火焰温度降低而增大,在接近熄火的极贫燃料状态下可明显被监测到.这种低频压力脉动也被称为“冷振荡峰值”[5].燃机运行中,冷振荡峰值一旦过高,燃烧热部件的磨损将加剧,并对燃机排气部分的末端、余热锅炉以及烟囱产生腐蚀.

中频压力脉动通常发生在100~250 Hz左右,与低频压力脉动相反,该频率段的压力幅值随着火焰温度升高而增加.因此这种中频压力脉动也被称为“热振荡峰值”.实际运行中,热振荡峰值过高也会对燃烧热部件产生影响,但是其破坏性比冷振荡峰值的影响小.

需要引起特别重视的是高频压力脉动,业内也称为“尖叫”,通常发生在250 Hz以上的频率范围.高频压力脉动过高对机组的破坏尤其大,燃机热部件在发生“尖叫”时,会由于短时间内的高频振荡而发生周期疲劳破坏.图 1给出了试验电厂9F型燃机3号燃烧筒内动态压力的时域图和经过傅里叶变换后的频谱图.从图 1(b)可见,在频率分别为94、138、217、302 Hz处均存在峰值,这也与低频、中频、高频动态压力的频率范围相对应.

图 1 燃烧筒内动态压力的时域和频谱图 Fig. 1 The time and frequency domain charts of dynamic pressure in combustion chamber
2 多通道数据采集装置

动态压力数据采集装置要能采集燃烧筒内低频、中频以及高频的动态压力信号.具体的测量系统示意图如图 2所示,引压管从燃机燃烧室的燃烧筒直接将燃烧气体引出,压力传感器通过三通阀与引压管连接,另一路直接接阻尼铜管,阻尼铜管的主要作用是防止气体反冲和排除凝结水以免影响测量精度.

图 2 测量系统示意图 Fig. 2 The schematic diagram of monitoring system

系统中动态压力传感器型号为102A05(美国PCB公司生产),属于IEPE型传感器.该类型传感器的特点是带有一个放大器和一个恒流源,电流源将电流引入加速度传感器,因此需要采集卡带有恒流供电功能.美国NI公司型号为9234的采集卡能满足采集IEPE加速度传感器信号的要求,该类型采集卡能将激励电流源设置为内部2 mA,从而可对102A05型动态压力传感器信号进行放大和调理.数据经计算机处理后得到如图 1所示的时域和频谱图,记录低频、中频、高频信号的峰值,作为DLN燃烧调整的依据. 3 试验数据分析与对比

试验数据与电厂采购自GE公司的便携式动态压力波动监测系统(简称CDMS)测得的燃烧调整信号进行对比.该系统由GE公司根据燃烧调整试验提供给电厂,安装在燃机轮机间外,动态压力也由引压管引出.值得注意的是该系统价格昂贵,而且国内大多数9E型或9F型机组的电厂并没有配置该套设备.试验中利用压力三通阀将本文所研制的监测系统接入并采集数据,通道排列顺序与CDMS一致.

试验中所得到信号的时域、频谱图可参见图 1.其它8个燃烧筒的信号结果类似,此处不一一给出.从采集数据看,信号经傅里叶变换之后,每个燃烧筒内信号频谱图上各频段都明显存在峰值.表 1给出了多通道频谱图中各频段峰值,并与同工况下采自电厂实时数据库中的CDMS数据进行对比.

由表 1可知,从峰值对应的频率来看,多通道动态压力监测数据的频率与CDMS数据的频率基本一致.在94、138、217、302 Hz附近均存在峰值.但从峰值上看,多通道监测数据与CDMS数据存在较大差 异,CDMS数据比9个通道数据大5~10倍.分析其 原因为:引压管引出的燃烧筒内动态压力,会存在 压力幅值衰减,因此多通道监测系统采集到的信 号并不能反映出真实的燃烧筒内压力脉动情况, 必须对数据进行修正.CDMS数据则考虑了这一情况并进行了修正,因此峰值比多通道中采集得到的峰值大.但由于CDMS只给出了处理后的峰值和频率数据,并未提供原始的动态压力信号,因此对于安装在燃机轮机间外测量燃烧室动态压力的修正方法还需进一步研究.

表 1 多通道动态压力监测数据与CDMS数据对比 Tab.1 The comparison between multichannel monitoring system and CDMS

图 3分别给出了94、217、302 Hz频率上动态压力幅值随着时间的变化.从图中可见,多通道采集数据和CDMS数据均表现出幅值随着时间有规律性的波动,CDMS数据要大于多通道采集数据值,并且两者存在一定的比例关系.

图 3 400s内多通道数据与CDMS数据对比 Fig. 3 The comparison between multichannel monitoring system and CDMS in 400 seconds
4 结 论

本文研制了适用于9F型燃机燃烧室多通道动态压力监测系统,并对运行中的燃机机组进行了数据采集和试验研究,主要结论为:

(1) 该系统能实现对运行中的燃气轮机进行多通道燃烧筒内动态压力数据采集,并能实时分析动态压力时域和频谱图,得到脉动压力的低频、中频、高频峰值,为DLN燃烧调整提供数据支持.

(2) 多通道动态压力数据与CDMS数据对比显示:两者得到的峰值频率基本一致,在94、138、217、302 Hz附近均存在峰值.但从幅值上看,CDMS数据比多通道数据大5~10倍.这是因为引压管引出的燃烧室内动态压力,由于管道长度及沿程损失,会存在压力幅值上的衰减,原始信号并不能反映出真实的燃烧室内压力脉动情况.

(3) 从一段时间内多通道动态压力数据与CDMS系统数据对比可知,两组数据的幅值均随着时间有规律性的波动,CDMS数据大于多通道采集数据,并且两者存在一定的比例关系.今后将研究修正引压管压力损失的方法,以期得到真实的燃烧室内动态压力的脉动特征.

参考文献
[1] 萨仁高娃.燃气轮机干式低NOx燃烧室的性能数值模拟分析[D].呼和浩特:内蒙古工业大学,2006.
[2] 舒哥群,卫海桥.提取内燃机燃烧压力高频成分进行压力高频振荡研究[J].机械工程学报,2004,40(9):6-9.
[3] 朱民,DOWLING A P,BRAY K N C.振荡燃烧过程中的计算和诊断[J].工程热物理学报,2007,28(1):165-168.
[4] 王志刚.燃气轮机干式低NOx DLN2.0+的控制系统[J].发电设备,2006(5):326-330.
[5] 刘联胜,李志勇,佘凯,等.贫氧、预混火焰热声耦合振荡的声场分析[J].燃烧科学与技术,2010,16(2):175-180.