杨志鹏，杨景祺，章伟杰

(上海发电设备成套设计研究院,上海 200240)



国外燃气轮机燃烧监测系统的分析对比

杨志鹏，杨景祺，章伟杰

(上海发电设备成套设计研究院,上海 200240)

介绍了排气温度分布监测和燃烧动态压力监测两种对燃气轮机燃烧监测与保护方法，并阐述了其工作原理。以GE、西门子、三菱三家重型燃气轮机厂商的F级燃气轮机为例，分别对其燃烧监测与保护系统的系统布置和报警保护逻辑进行了分析和对比，得出每种系统的特点，为我国燃气轮机自主研发提供借鉴。

燃气轮机； 燃烧监测； 排气分散度； 燃烧动态压力

随着经济发展，我国对电力工业的需求和环境保护压力不断增大，具有联合循环效率高、环境污染小、启停快速、占地耗水少等优点的燃气轮机发电技术逐渐受到重视。燃烧室是燃气轮机三大部件之一，也是工作温度最高的部件，被誉为燃气轮机的心脏，其可靠性是燃气轮机安全高效运行的关键因素。

为了提升燃气轮机效率，燃气初温越来越高，F级燃气轮机的燃气初温已超过1 300 ℃，更为先进的H级燃气轮机燃气初温已经达到1 426 ℃，在如此高的温度下运行，燃烧室和过渡段等热部件难免会出现一些破裂、损坏等故障。据统计，在燃气轮机机组运行过程中，50%以上的故障都和燃烧室有关[1]，而且会造成重大的安全事故和经济损失。燃烧监测系统可以根据测量得到的热工参数，使用电脑软件进行计算处理，实现对燃烧的监视、分析、诊断以及报警和保护，能够及时预测和发现故障并将损失降到最低，燃烧监测系统对于燃气轮机的安全高效运行具有非常重要的意义。

目前世界三大重型燃气轮机厂商GE、西门子、三菱公司都研发出了各自的燃烧监测系统，笔者将对燃烧监测系统进行研究，并对三家燃机厂商的燃烧监测系统进行对比和分析，为我国燃气轮机自主研发提供借鉴思路。

1 排气温度分布监测

对于燃烧监测与保护，最直接的方式是监测喷嘴、燃烧室和过渡段等热通道部件的温度，但在燃气轮机运行时这些部件因温度过高而难以进行直接测量，一般只能通过测量透平排气温度的间接监测方法来判断高温部件的工作是否正常。当燃料流量分配器故障、火焰筒破裂、燃烧不正常或其他燃烧器异常时，都会导致透平流场和排气温度流场分布严重不均匀。因此，只要监测排气温度场是否均匀就可以间接地判断燃烧是否正常。

GE公司9F机组的保护系统在排气通道安装了31根均匀分布的排气测温热电偶，并定义了三种分散度来描述温度分布的均匀度：

S1：1号分散度，排气热电偶的最高读数和最低读数之间的差；

S2：2号分散度，排气热电偶的最高读数和第二低读数之间的差；

S3：3号分散度，排气热电偶的最高读数和第三低读数之间的差。

系统中的允许分散度Sallow并不是固定的常数，因为不同工况下，燃气初温和排气温度都不同，排气温度的分散度也不同。因此系统用压气机的出口温度和透平平均排气温度来计算随工况变化的排气温度允许分散度。

当排气温度分布不均匀时，S1、S2、S3与Sallow之间的比值会发生变化，系统利用该比值以及相应测点相邻情况作为判据，根据相应的判断逻辑来实现燃烧的监测与保护[2]。具体逻辑见图1。

图1 GE公司排气温度分布监测的判断逻辑

西门子和三菱公司的处理方法则比较简单。西门子公司SGT5-4000F机组排气温度保护系统中设置了冷点以及热点保护来监测燃烧器的燃烧状况。冷点保护就是将一个测点的测量值和24个测点的平均值进行比较，若相邻的两个测点和平均值的偏差都达到设定值以上则产生报警；若相邻的三个测点和平均值的偏差超过设定值则发出停机信号；若相邻四个测点和平均值的偏差超过设定值则直接遮断燃机。热点保护同样用一个测点的测量值和24个测点的平均值相比较，如果超过了设定值则发出相应报警或者遮断机组信号[3]。

三菱公司M701F机组通过判断每个叶片通道温度的分散度是否超过允许值的方法来实现燃烧监测。某个测点温度的分散度被定义为该测点温度值和所有20个测点的温度均值之差。当分散度超过+30 ℃或-60 ℃时就具备了跳机的条件，同时将进一步判断超限测点相邻的两个测点是否也存在一定程度的分散度较大(超过±7 ℃)。此外，保护系统还同时监测着每个测点的温度变化趋势，当某个测点的温度分散度变化速度超过了限定值时则自动执行正常停机程序[4]。

通过对比可以看到：

(1) 三家厂商都定义了各自的分散度，将其与允许值进行比较并结合测点的相邻条件对温度场分布进行判断，从而实现燃烧监测与保护。同时针对各自机型的特点，三家厂商的测点布置和判断逻辑都有所不同。

(2) GE 9F机组采用了分管型燃烧室，相比于采用环型燃烧室的西门子机组和采用环管型燃烧室的三菱机组，其排气温度分布均匀度较差，系统布置的温度测点也最多。

(3) GE公司的系统考虑了实际工况对排气温度分布的影响，将压气机出口温度和排气平均温度作为计算排气温度允许分散度的依据，能够更加准确地判断燃烧状态。

(4) 三菱的系统中还对排气温度分散度的变化速度进行了监视，一定程度上加强了对燃烧状态的监测。

2 燃烧动态压力监测

除了排气温度分布监测外，各家厂商还推出了燃烧动态压力监测系统来实时监测燃烧的状态，并提供了报警和保护功能。

2.1 燃烧压力波动原理

为了降低氮氧化物排放同时提高燃烧效率，目前燃气轮机燃烧室设计更多地采用预混燃烧方式，但是预混燃烧是一种不够稳定的燃烧方式，而且容易产生由声波、流体和放热之间相互作用引起的振荡现象。振荡会造成热量和压力的大幅波动，使系统整体性能下降并降低燃烧室的使用寿命。在燃烧器的火焰区域，燃烧产生的热量通过声光的形式释放出来，此时若有天然气燃料热值的变化、环境温度的变化甚至湿度变化等外界因素干扰时，剧烈的声光释放又会产生大量的热量，从而又加剧了声光的释放，激发了压力波动的产生。燃烧压力波动会造成燃烧不稳定，影响机组安全运行，严重超限的高频压力波动会直接导致热部件损坏，而低频的压力波动则会造成熄火。

当燃烧不稳定时，燃烧压力波动会对周围空气压力场造成影响，甚至会引起燃烧室壳体振动的变化，因此燃烧动态压力监测系统利用传感器对燃烧室内压力波动以及壳体振动进行连续不断地监测,可以更加直接地监测燃烧状况，能够准确和及时地发现燃烧故障。

2.2 燃烧动态压力监测系统的布置

2.2.1 GE公司

GE公司推出的燃烧室连续动压监测系统(Continuous Dynamic Monitoring System,简称CDM系统)，配合9F机组排气温度分布监测系统，能够较早地发现燃烧存在的问题，避免燃烧室发生严重损害，保障了机组的安全稳定运行。

CDM系统由安装在燃气轮机燃烧室上的18只压力探头(对应于18个燃烧器)、现场接线盒(内部包括动压的放大电路板及其电源)、用于信号检测的MarkⅥe I/O模件及端子板、网络和相关的人机界面(HMI)组成，见图2。来自压力传感器的信号经过快速傅里叶变换(FFT)后得到信号频谱特性，再由MARKⅥe系统根据其不同频段幅值大小实时监测燃烧的稳定性。此外系统还可以通过亚特兰大数据总线与GE亚特兰大监视与诊断中心相连接，实现远程诊断和调试[5]。

图2 GE公司CDM系统

2.2.2 西门子公司

西门子公司SGT5-4000F燃气轮机的燃烧室配置了一套ARGUS OMDS应用系统。该系统由Host-PC主机、信号预处理模件和振动加速度/压力传感器三大部分组成，用来实时监测燃烧是否稳定。

ARGUS系统在西门子SGT5-4000F燃气轮机的环型燃烧室上安装了共7个专用传感器，包括2个CA901型振动加速度传感器和5个CP216型压力传感器，测点分布见图3[6]，其中压力传感器又称嗡鸣或蜂鸣传感器。ARGUS系统通过测量燃烧室设备的振动加速度和动态压力数据，在Host-PC主机上显示实时监测的数据和后台分析的频谱信息，并将数据上传至控制系统进行燃气轮机机组的控制和保护。系统还可以通过西门子公司的远程诊断系统，将数据上传到西门子全球实时监控诊断中心，对机组工况进行分析和故障诊断。

图3 西门子公司ARGUS系统测点分布

除此之外，西门子在其保护系统中加入了嗡鸣保护和加速度保护功能，和ARGUS共同作用于燃烧状态的监测与保护。

2.2.3 三菱公司

三菱公司为M701F机组配备了燃烧室压力波动监测系统(Combustion Pressure Fluctuation Monitoring System，简称CPFM系统),对燃烧进行监视报警以及联锁保护,能够优化机组的性能和效率，同时起到保护热通道部件的作用。

CPFM系统在M701F燃气轮机20个燃烧器上共安装了20个CP237型压力传感器(对应于每个燃烧器),并在3号、8号、13号、18号燃烧器上各安装了一个CA134型振动加速度传感器(环形对称布置),分别监测燃烧室压力波动和振动加速度，测点分布见图4[7]。CPFM 系统采用压电式传感器,所以使用接触式安装方式,其安装位置见图5。24个传感器的信号经过放大和转换处理后，由燃烧器压力波动分析站 (CPFA)分析,运行人员可以通过操作员站( OPS)来实时监测燃烧状况。

在CPFM系统的基础上，三菱公司还开发了改进版系统advanced CPFM(ACPFM)。该系统实时采集燃气轮机参数并提前预警燃烧压力波动，能够提供一定程度的自动燃烧调整功能。CPFM和ACPFM是各自独立的系统，CPFM主要完成自动降负荷及跳闸的功能，而ACPFM主要完成预报警及自动调整。

图4 三菱公司CPFM系统测点分布

图5 三菱公司CPFM探头安装位置

2.3 燃烧动态压力监测系统的报警与保护

2.3.1 GE公司

CDM系统将燃烧动态压力频率范围分为5个频段，命名约定如下: 熄火频段、低频段、中频段、高频段、极高频段[8]。某厂CDM系统动态压力频段和报警值见表1。

表1 CDM压力频段和报警值

表1中压力超过定值时发出报警的条件如下：

(1) 机组转速达到额定运行转速；

(2) 没有跳闸信号；

(3) 进口可转导叶(IGV)与燃料行程基准(FSR)在稳定状态，或变化较小情况下，即在300 s内IGV变化不超过1°，FSR不超过2% 。

在18个压力波动值中，若同一频段出现了任意两个信号报警时，运行人员应及时通知相关部门，并根据燃烧情况选择降负荷或停机处理。CDM系统能够监测燃烧动态压力并及时报警，但不具备联锁保护功能，需要在运行中加强监测，及时采取措施。

2.3.2 西门子公司

西门子ARGUS系统可以监测不同频率下的压力值和振动加速度值，从而判断当前燃烧是否稳定，并根据观察到的数值大小进行相应手动调整，同时配合嗡鸣保护和加速度保护(其中嗡鸣只做显示，加速度则带保护)保证机组安全高效运行。

在西门子控制逻辑中，加速度保护的相关逻辑见表2、表3[9]。

表2 西门子加速度保护减负荷条件

表3 西门子加速度保护跳闸条件

ARGUS系统将压力信号和加速度信号分为三个频段：低频段(0～90 Hz)、中频段(105～115 Hz)、高频段(140～160 Hz)，通过判断三个频段内的压力值和加速度值可以实时判断当前的燃烧状态[10]。

根据压力信号判断燃烧稳定性的原则如下：

(1) 当燃气轮机运行时，高频段的压力值应该小于低频段的数值，如果大于或者等于低频段值，则燃烧处于非常不稳定的阶段，随时可能跳机。

(2) 低频段的压力值不能过大。

(3) 高频段的压力值应该较小。

(4) 中频段的压力值应当远小于高频段和低频段，而且必须保持平稳，否则燃烧将会不平稳。

以上4点必须同时满足，可以确认燃烧稳定;否则处于不稳定状态。

加速度信号的判断原则和压力信号类似，区别在于中频段加速度值变化很小，与燃烧状态无关，具体如下：

(1) 燃气轮机运行时，高频段的加速度值应远小于低频段的数值，如果其大于或等于低频段值，则燃烧处于非常不稳定的阶段，随时可能跳机。

(2) 低频段的加速度值不能过大，但必须大于高频段。

(3) 高频段的加速度值必须很小，且保持稳定，如果其突然增加，则燃烧会变不稳定。

ARGUS系统只是判断燃烧状态的工具，需要结合嗡鸣保护和加速度保护才能实现对燃气轮机的燃烧监测与保护。

2.3.3 三菱公司

CPFM为M701F机组提供了联锁保护功能，一旦监测到燃烧室压力波动初期引起的压力变化,能够通过快速减负荷和及时跳机来防止燃烧室热部件的损坏。

燃烧室压力波动可以根据其频率范围区分为9个频段，频段划分和具体报警值见表4、表5。

表4 CPFM压力频段和报警值

表5 CPFM加速度频段和报警值

当CPFM联锁保护已投入，在24个信号(20个压力信号和4个加速度信号)中有任意1个超过预报警值,则发出报警,此时操作员应该视具体情况手动减负荷；当燃气轮机实际负荷大于60%额定负荷时,若同一频段任两个信号超过高报警值,系统将触发快速减负荷指令,会迅速将机组的负荷减到60%；若此时两个高报警仍然存在将会发出60%负荷高报警，同时会触发跳机指令，使燃气轮机马上停机；一旦同一频段任两个信号超过超限保护跳闸值，则会触发跳机指令，使燃气轮机马上停机[7]。具体的联锁保护逻辑见图6。

图6 CPFM系统联锁保护逻辑

2.4 燃烧动态压力监测系统对比分析

对GE、西门子、三菱三家燃机厂商的燃烧动态压力监测系统进行比较，可以发现每个厂商的系统都是通过对信号进行频谱分析来实现监测的，但每个厂家针对自家机组的特点进行了不同的设计，详见表6。

表6 GE、西门子、三菱公司燃烧动态压力监测系统对比

对比发现：

(1) 西门子公司布置的传感器数量最少，共7个传感器，而GE公司布置了18个传感器，三菱公司布置了24个传感器。分析其原因为西门子SGT5-4000F机组采用了环型燃烧室，整个燃烧室完全连通无需每个燃烧器单独安装传感器；而GE 9F机组为分管型燃烧室，三菱M701F机组为环管型燃烧室，燃烧室都由很多火焰筒组成，需要单独监测每一个火焰筒内的动态压力变化。

(2) 西门子、三菱公司都布置了压力和振动加速度两类传感器，分别监测燃烧动态压力波动及其引起的燃烧室壳体振动，能够更准确地监测燃烧动态压力；而GE只布置了压力传感器。

(3) 西门子和三菱公司设计了报警和相应的保护逻辑，能够实现自动快速降负荷和跳机保护，保证了机组运行的安全；GE系统只设计了报警逻辑，没有联锁保护功能，需要运行人员加强监测同时手动调整来保证机组安全。

(4) GE和西门子公司的燃烧动态压力监测系统都有远程诊断功能，能够实现远程监测，并由专家及时发现并排除机组故障。

3 结语

本文对GE、西门子、三菱公司F级燃气轮机代表机型燃烧监测与保护系统的系统布置和报警保护逻辑进行了介绍和对比，并分析得出了每种系统的特点。由于不同燃气轮机的燃烧系统结构和原理不同，因此针对其设计的传感器数量多少、温度测点的数量多少、频谱分段的数量多少并没有可比性，不能直接反应监测系统的准确性，但是每种燃烧监测系统的系统布置、保护逻辑以及针对燃气轮机特点设计开发燃烧监测系统的理念都为国产燃气轮机自主研发提供了思路。

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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

杨志鹏(1992—)，男，在读硕士研究生，研究方向为燃气轮机控制系统以及建模仿真。

E-mail: yangzhipeng@speri.com.cn

TK477

A

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