一种基于TDLAS技术的燃气轮机燃烧监测诊断装置的制作方法

一种基于tdlas技术的燃气轮机燃烧监测诊断装置
技术领域
1.本发明属于燃气轮机技术领域，尤其涉及一种基于tdlas技术的燃气轮机燃烧监测诊断装置。


背景技术：

2.燃气轮机燃烧监测诊断主要是通过有效的监测方法获得燃烧室压力、温度及组分等状态参数，诊断燃烧室燃烧状态，并将诊断结果反馈给燃烧控制系统，用于调整燃烧室进口空气流量、燃料量及其分配等，确保燃烧室运行安全、稳定，排放符合要求。
3.目前在役燃气轮机所采用的燃烧监测诊断方法主要是通过监测透平出口温度、燃料喷嘴出口附近的压力脉动和火焰发光强度等参数，并依据相应的燃烧故障诊断判据，诊断燃烧室的燃烧状态。在役燃机采用的燃烧监测诊断方法，尚需改进。首先，燃烧室出口的高温燃气流经透平后，其热点发生偏转，基于透平出口温度很难诊断具体那个燃烧室出现超温故障；其次，在役燃机的燃烧监测诊断系统，需整合热电偶、压力脉动传感器、火焰检测器等多个设备的实时监测信号，需要处理多个监测设备的测量误差、分析多源信号，系统构成相对复杂，燃烧精确监测诊断的难度大。
4.为降低燃烧状态参数监测诊断的难度，提高精度，可采用基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(tdlas)的光学测量设备代替现有的燃烧监测诊断设备。


技术实现要素：

5.为解决在役燃气轮机燃烧监测诊断系统复杂、燃烧状态监测诊断精度低、难度大等问题，本发明提供了一种基于tdlas技术的燃气轮机燃烧监测诊断装置，该装置可在线监测燃烧室的温度、压力以及h2o组分浓度等信息，诊断燃烧室燃烧状态。
6.本发明采用如下技术方案来实现的：
7.一种基于tdlas技术的燃气轮机燃烧监测诊断装置，包括初始状态取数模块、tdlas燃烧状态参数监测模块、燃烧诊断判据存储模块和燃烧状态诊断模块；
8.初始状态参数取数模块，用于获取燃气轮机的压气机排气端的压气机排气温度和排气压力，获取燃气轮机进气道内的空气湿度；
9.tdlas燃烧状态监测模块，用于发射出2条可被h2o吸收的激光信号，将发射的两条激光耦合成一束穿过燃烧室待测流场，且穿过被测流场的激光信号可被tdlas燃烧状态监测模块有效接收，并转化为燃烧室的实时温度、压力脉动以及h2o组分浓度燃烧状态参数在线信息；
10.燃烧诊断判据存储模块，用于存储有不同工况下燃烧室的温度基准值、压力脉动频率和幅值基准值、燃烧室h2o浓度基准值；
11.燃烧状态诊断模块，用于根据tdlas燃烧监测模块获取的燃烧室实时温度、压力脉动以及h2o组分浓度信息，并与燃烧诊断判据存储模块存储的燃烧室的温度基准值、压力脉动频率和幅值基准值、燃烧室h2o浓度基准值对比分析，诊断、输出燃烧室燃烧状态。
12.本发明进一步的改进在于，利用耐高温石英玻璃隔离燃气轮机燃烧室的高温燃气，建立tdlas燃烧状态监测模块的监测光路，确保tdlas燃烧状态监测模块在不接触燃气轮机燃烧室内的高温燃气的前提下，完成燃烧流场温度、压力以及h2o组分状态参数监测。
13.本发明进一步的改进在于，tdlas燃烧状态监测模块发射的2条可被h2o吸收的激光为单模激光，其波长介于1260nm-1650nm之间，处于通信用dfb二极管激光器工作波段内，且两条激光在450℃～1800℃的谱线强度数值相差不大。
14.本发明进一步的改进在于，tdlas燃烧状态监测模块监测燃烧室过渡段出口附近的燃烧流场参数，其通过分析激光吸收光谱的光强变化信息，依据光强与温度的对应关系，将其转化为燃烧室待测流场的温度值；通过分析吸收光谱信号的展宽与压力的对应关系，将其转化为燃烧室待测流场的压力值，再对流场压力进行fft转换获取燃烧室待测流场的压力脉动频率及相应幅值信息；通过分析激光吸收光谱信号的线型和二次谐波峰值，依据组分浓度与二次谐波峰值之间的对应关系，并结合燃烧温度和燃烧压力信息，获取燃烧室待测流场的h2o浓度。
15.本发明进一步的改进在于，初始状态取数模块能够借助在役燃气轮机现有的大气参数监测设备获取大气湿度，并将其转化为燃烧室的初始h2o浓度；能够借助在役燃气轮机现有的压气机排气温度和排气压力监测设备获取压气机排气温度和排气压力，并将其作为燃烧室的初始温度和初始压力。
16.本发明进一步的改进在于，燃烧诊断判据存储模块，存储有燃气轮机燃烧室的温度基准信息、h2o浓度基准信息和压力基准信息。
17.本发明进一步的改进在于，存储的燃烧室的温度基准信息包括不同工况下燃烧室燃烧温度的正常范围、预警值以及报警值，且均为燃烧室过渡段出口平面的平均值；存储的h2o浓度基准值来源于不同工况下的大气湿度，且能够实时更新；存储的燃烧室压力基准信息包括不同工况下燃烧室压力脉动频率和幅值安全范围、燃烧室部件的固有声学频率、压力脉动幅值和频率的预警值和跳机值。
18.本发明进一步的改进在于，燃烧状态诊断模块，通过对比分析初始状态取数模块获取的燃烧室的初始温度、tdlas监测模块提供的燃烧室温度与燃烧诊断判据存储模块存储的燃烧温度基准值，向燃气轮机控制系统发出燃烧温度正常、燃烧温度高以及燃烧温度超温燃烧状态信息；通过对比分析tdlas监测模块提供的燃烧室h2o与燃烧诊断判据存储模块存储的h2o浓度，向燃气轮机控制系统发出燃烧室点火成功、点火失败信息；通过对比分析tdlas监测模块提供的燃烧室压力脉动幅值和频率信息，向燃气轮机控制系统发出燃烧稳定、燃烧不稳定预警以及燃烧不稳定燃烧状态信息。
19.本发明至少具有如下有益的技术效果：
20.本发明提供的一种基于tdlas技术的燃气轮机燃烧监测诊断装置，在不接触燃气轮机燃烧室高温燃气的情况下，通过处理、分析穿过燃烧室待测流场的激光吸收光谱信号，可获取燃烧流场温度、压力以及h2o浓度等状态参数，无需处理分析多个监测设备一次测量原件的测量数据，可简化燃气轮机燃烧状态监测数据处理流程；且不会引入由于多个测量原件造成的测量误差，燃烧状态监测的测量精度较高。
21.进一步，本发明提供的一种基于tdlas技术的燃气轮机燃烧监测诊断装置，可替代在役燃气轮机布置在透平出口附近的燃烧温度监测系统、布置在燃烧室喷嘴附近的火焰检
测系统以及压力脉动监测系统等，避免了多系统之间数据交互，在提高燃气轮机燃烧状态参数测量精度的同时，简化了现有的燃气轮机燃烧状态监测系统复杂度。
22.进一步，本发明提供的一种基于tdlas技术的燃气轮机燃烧监测诊断装置可直接监测诊断燃气轮机各个燃烧室的燃烧状态，在燃烧室发生燃烧故障时可精准定位故障燃烧室，可避免由于透平叶片转动作用引起的热斑迁移而无法精确定位故障燃烧室的现象。
23.进一步，本发明提供的一种基于tdlas技术的燃气轮机燃烧监测诊断装置，仅需对比分析初始状态取数模块获取的燃烧室的初始状态参数、tdlas燃烧状态参数监测模块实时获取的燃烧室状态参数、燃烧诊断判据存储模块存储的不同工况下的燃烧室温度基准值、h2o浓度基准值、压力基准值之间的大小，就可诊断燃气轮机燃烧室燃烧状态，在一定程度上可简化燃气轮机燃烧室燃烧状态诊断逻辑。
附图说明
24.图1为本发明的系统结构示意图。
25.图2为本发明实施例示意图。
26.附图标记说明：
27.1.初始状态取数模块；2.tdlas燃烧状态参数监测模块；3.燃烧诊断判据存储模块；4.燃烧状态诊断模块。
具体实施方式
28.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
29.本发明的应用领域是如图1所示的燃气轮机燃烧状态监测诊断装置。如图所示，本发明提供的一种基于tdlas技术的燃气轮机燃烧温度监测诊断装置，包括初始状态取数模块1、tdlas燃烧状态参数监测模块2、燃烧诊断判据存储模块3、燃烧状态诊断模块4。工作时，初始状态取数模块1由燃气轮机现有测量系统获得压气机排气温度和排气压力，并将其作为燃烧室的初始状态参数提供给燃烧状态诊断模块4；由燃气轮机进气道内的空气湿度测量装置获得空气湿度并将其转化为燃烧室初始h2o浓度。tdlas燃烧状态参数监测模块2将2条可被h2o吸收的窄带激光信号耦合成一束平行光，待耦合成一束的平行光穿过燃气轮机燃烧室待测流场后被tdlas燃烧状态监测模块接收，通过计算、分析将其转化为燃烧室的实时温度、压力脉动以及h2o组分浓度等燃烧状态参数实时信息，并将其提供给燃烧状态诊断模块4。燃烧诊断判据存储模块3预先存储了不同工况下燃气轮机燃烧室出口平面的燃烧温度正常范围、预警值以及报警值，不同工况下燃烧室出口平面的h2o浓度，不同工况下燃烧室压力脉动频率和幅值安全范围、燃烧室部件的固有声学频率、压力脉动幅值和频率的预警值、跳机值等信息，且可供燃烧状态诊断模块4随时调用。燃烧状态诊断模块4集合初始状态取数模块1、tdlas燃烧状态参数监测模块2、燃烧诊断判据存储模块3提供的数据和信息，通过对比分析初始状态取数模块1获取的燃烧室的初始温度、tdlas燃烧状态参数监测
模块2提供的燃烧室温度与燃烧诊断判据存储模块3存储的燃烧温度基准信息，向燃气轮机控制系统发出燃烧温度正常、燃烧温度高以及燃烧温度超温等燃烧状态信息；通过对比、分析tdlas燃烧状态参数监测模块2提供的燃烧室h2o与燃烧诊断判据存储模块3存储的h2o浓度信息，向燃气轮机控制系统发出燃烧室点火成功、点火失败等信息；可通过对比分析初始状态取数模块1获取的燃烧室的初始温度、tdlas燃烧状态参数监测模块2提供的燃烧室压力脉动幅值和频率等信息以及燃烧诊断判据存储模块3存储的燃烧压力基准信息，向燃气轮机控制系统发出燃烧稳定、燃烧不稳定预警以及燃烧不稳定等燃烧状态信息。
30.优选的，燃气轮机燃烧室利用耐高温石英玻璃隔离的高温燃气，并向tdlas燃烧状态监测模块2提供光学监测窗口，确保tdlas燃烧状态监测模块2在不接触燃气轮机燃烧室内的高温燃气的前提下，激光可顺利穿过燃气轮机燃烧室待测流场，实现燃烧温度、压力以及h2o组分等状态参数监测。
31.优选的，tdlas燃烧状态监测模块2发射的2条可被h2o吸收的激光为单模激光，其波长介于1260nm-1650nm之间，处于通信用dfb二极管激光器工作波段内，且两条激光在450℃～1800℃的谱线强度数值相差不大。
32.优选的，初始状态取数模块1借助在役燃气轮机现有的大气参数监测设备获取大气湿度，并将其转化为燃烧室的初始h2o浓度；借助在役燃气轮机现有的压气机排气温度和排气压力监测设备获取压气机排气温度和排气压力等参数，并将其作为燃烧室的初始温度和初始压力。
33.优选的，燃烧诊断判据存储模块3，存储有燃气轮机燃烧室的存储的燃烧室的温度基准值、h2o浓度基准值、压力基准值等；且存储的燃烧室的温度基准值为燃烧室过渡段出口平面的燃烧温度平均值。
34.优选的，燃烧状态诊断模块4通过简单的逻辑判断，如对比不同工况下燃烧室的温度基准值与tdlas燃烧状态监测模块2提供的燃烧室实时温度的大小等，诊断燃烧室燃烧温度是否正常、燃烧温度是否过高以及燃烧温度是否超温等燃烧状态信息；如对比分析tdlas燃烧状态监测模块2提供的燃烧室h2o与燃烧诊断判据存储模块3存储的h2o浓度，诊断燃烧室点火成功、点火失败等信息；如对比分析tdlas燃烧状态监测模块2提供的燃烧室压力脉动幅值和频率等信息与存储模块3存储的燃烧压力脉动基准信息之间的差异，诊断燃气轮机燃烧室燃烧稳定、燃烧不稳定预警以及燃烧不稳定等燃烧状态信息；并将上述诊断结果，发送至燃气轮机控制系统。
35.实施例
36.如图2所示，在燃气轮机燃烧室工作时，初始状态取数模块1与燃气轮机现有的测量系统连接，直接获得压气机排气温度和排气压力以及进气道内的空气湿度，并将其作为燃烧室的初始温度和初始压力以及燃烧室初始h2o浓度，并将其提供给燃烧状态诊断模块4。tdlas燃烧状态参数监测模块2将2条可被h2o吸收的窄带激光耦合成一束平行光，待耦合成一束的平行光穿过燃气轮机燃烧室待测流场后，再被tdlas燃烧状态监测模块接收；通过计算、分析将其转化为燃烧室的实时温度、压力脉动以及h2o组分浓度等燃烧状态参数实时信息；并将其提供给燃烧状态诊断模块4。燃烧诊断判据存储模块3，通过燃气轮机燃烧室工程试验以及历史运行数据等获得不同工况下燃气轮机燃烧室出口平面的燃烧温度正常范围、预警值以及报警值，不同工况下燃烧室出口平面的h2o浓度，不同工况下燃烧室压力脉
动频率和幅值安全范围、燃烧室部件的固有声学频率、压力脉动幅值和频率的预警值、跳机值等信息，且可供燃烧状态诊断模块4随时调用。燃烧状态诊断模块4集合初始状态取数模块1、tdlas燃烧状态参数监测模块2、燃烧诊断判据存储模块3提供的数据和信息，通过对比分析初始状态取数模块1获取的燃烧室的初始温度、tdlas燃烧状态监测模块2提供的燃烧室温度与燃烧诊断判据存储模块3存储的燃烧温度基准信息之间的大小、差异等，向燃气轮机控制系统发出燃烧温度正常、燃烧温度高以及燃烧温度超温等燃烧状态信息；通过对比、分析tdlas燃烧状态监测模块2提供的燃烧室h2o浓度、初始状态取数模块1以及燃烧诊断判据存储模块3存储的h2o浓度之间的大小、差异等，向燃气轮机控制系统发出燃烧室点火成功、点火失败等信息；可通过对比分析tdlas燃烧状态监测模块2、初始状态取数模块1以及燃烧诊断判据存储模块3提供的燃烧室压力脉动幅值和频率等之间的大小、差异等，向燃气轮机控制系统发出燃烧稳定、燃烧不稳定预警以及燃烧不稳定等燃烧状态信息。
37.优选的，燃气轮机燃烧室利用耐高温石英玻璃隔离高温燃气；耐高温石英玻璃的直径不大于10mm、厚度不小于10mm，布置在燃气轮机燃烧室过渡段出口平面附近，其与高温燃气接触的平面与燃烧室内壁面平齐，不影响燃烧室内部流场组织，且对燃烧室部件的结构强度影响较小；基于耐高温石英玻璃窗口，可为tdlas燃烧状态监测模块2提供光学监测窗口，确保tdlas燃烧状态监测模块2在不接触燃气轮机燃烧室内的高温燃气的前提下，激光可顺利穿过燃气轮机燃烧室待测流场，实现燃烧温度、压力以及h2o组分等状态参数监测。
38.优选的，tdlas燃烧状态监测模块2发射的2条可被h2o吸收的激光均为为单模激光，其波长介于1260nm-1650nm之间，且两条激光在450℃～1800℃的谱线强度数值相差不大。
39.优选的，燃烧诊断判据存储模块3，存储有燃气轮机燃烧室的存储的燃烧室的温度基准信息、h2o浓度基准信息、压力基准信息等，且存储的燃烧室的温度基准信息为燃烧室过渡段出口平面的燃烧温度平均值。
40.优选的，燃烧状态诊断模块4可通过简单的逻辑判断，如对比不同工况下燃烧诊断判据存储模块3提供的燃烧室的温度基准信息与tdlas燃烧温度监测模块2提供的燃烧室实时温度的大小等，诊断燃烧室燃烧温度是否正常、燃烧温度是否过高以及燃烧温度是否超温等燃烧状态信息；如对比分析tdlas燃烧状态监测模块2提供的燃烧室h2o与燃烧诊断判据存储模块3存储的h2o浓度信息之间的差异，诊断燃烧室点火成功、点火失败等状态；如对比分析tdlas燃烧状态监测模块2提供的燃烧室压力脉动幅值和频率等信息与燃烧判据存储模块3存储的燃烧压力脉动基准信息之间的差异，诊断燃气轮机燃烧室燃烧稳定、燃烧不稳定预警以及燃烧不稳定等燃烧状态信息；并将上述诊断结果，发送至燃气轮机控制系统。
41.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。