CDM在9FB燃气轮机的应用

于金

摘要：燃烧是燃气轮机运行状况的最重要指标，也是环保排放参数的直接决定因素。因此，采集燃烧相关参数并进行实时监视是保证燃气轮机稳定运行的必要手段。9FB型燃气轮机的燃烧脉动监视（CDM）系统，对机组的实时监视及稳定运行具有重大意义。

Abstract： The direct determinant of environmental emission parameters. Therefore， data acquisition of combustion parameters and real-time monitoring is a necessary means to ensure Gas Turbine stable running. Combustion Dynamics Monitoring （CDM） system of 9FB Gas Turbine is of great significance to the real-time monitoring and stable operation of the unit.

关键词：CDM系统;燃烧;HMI;脉动;排放

Key words： CDM system;combustion;HMI;pulsation;emission

中图分类号：TM621.3                                    文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）06-0221-02

CDM系统的主要组成部分包括探头、探头支架、专用电缆、JB1000接线箱及信号放大器、控制系统及人机交互界面（HMI）等。

9FB型机组的燃烧室配有18个燃烧器，每个燃烧器上安装有一个CDM探头，探头的插入深度随机组型号变化有不同的标准。燃烧器先行安装进燃烧筒，再固定CDM探头，因此探头的插入深度是肉眼无法捕捉的，所以CDM探头的安装需要使用随机组配备的专用安装工具，以控制插入深度，防止距离过近损坏探头或距离过远测量不准。CDM探头专用安装工具如图1所示。

压电检测装置CDM探头在机组运行过程中采集的声波型信号，以微微库伦的电荷信号（pC/psi）方式经专用电缆传送到燃机间外的接线箱JB1000中，通过JB1000中的PCB信号放大器将探头采集到的电荷信号转换为压电信号（mV/psi）后送往控制系统，进行模数转换、快速傅里叶变换（FFT）计算，将加密的计算结果送往控制器进行分析、处理后分组显示。

需要注意的是，每个探头上都标有不同的灵敏度，每个PCB信号放大器上都有不同的电荷/电压转换参数，安装时需要逐个进行记录，并将记录下的对应参数输入到控制系统中，以保证快速傅里叶变换（FFT）计算的准确性。PCB信号放大器与JB1000接线箱如图2所示。

CDM动压探头采集到的声波型信号，往往会在管壁上形成对测量参数造成影响的回声，通过探头支架上的阻尼管进行衰减，以降低数据失真的可能。

探头支架后的专用电缆，是低噪音、耐高温、带屏蔽的预制铠装电缆。为防止电缆对测量数据造成影响，18支探头的电缆必须保持同样长度，从燃机间延伸出来，不得截断。

传送到控制系统的压电信号（mV/psi）在经过模数转换、快速傅里叶變换（FFT）计算后，得到表征燃烧脉动的各组数据频率（Hz）-压力（psi），操作员可通过人机交互界面（HMI）对燃烧脉动参数进行实时监视，燃烧脉动监视共分为6组数据，分别放在6个频段中：B（Blow-Out）熄火频段（6-22Hz）、L（Low）低频段（22-102Hz）、M（Medium）中频段（102-190Hz）、H（High）高频段（190-900Hz）、T（Transverse）横断频段（190-213Hz）、S（Screech）啸声频段（900-3200Hz）。

B频段的最高值PK0，表示燃烧越不稳定、存在熄火的可能;L频段的最高值PK1，表示火焰强度太软;M频段最高值为PK2，表示火焰强度好;H频段中间值为PK3，表示火焰强度硬、燃烧强烈;T频段通常是H频段的一部分，与2级、3级透平叶片的固有频率重合，容易产生共鸣，该频段不参与计算、保护;S频段最高值为PK4，属于超高频范围，画面监视中超过3200Hz的数据都显示为3200Hz，这些通常是压气机叶顶漏气产生的声波，不是燃烧系统的真实反映。各频段数据在频率交界处可能出现横跨现象，不属于故障范围。

当各频段的数据超出一定范围时，画面会显示报警1（黄色）、报警2（红色）。B频段的两个报警值分别为2psi、3psi，L频段的两个报警值分别为4psi、6psi，M频段的两个报警值分别为4psi、6psi，H频段的两个报警值分别为3psi、4psi。CDM监视画面如图3所示。

燃烧脉动参数直接参与燃气轮机的保护，当脉动超过一定范围时将触发快速减负荷信号（LCY_TPMF_H），其中包括：PK1>6psi延时10分钟/PK1>12psi延时15秒、PK2>6psi延时10分钟/PK2>12psi延时15秒、PK3>4psi延时10分钟/PK3>12psi延时15秒、PK4>1.3psi延时10分钟/PK4>1.6psi延时15秒。

此外，燃烧脉动参数会直接影响环保排放數据。当燃烧脉动参数超过一定报警限值或长时间频繁波动时，环保排放参数会变大，比如一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮等。环保排放参数与燃烧脉动参数一般情况下处于动态平衡的状态中，当环境条件突然劣化时，燃烧脉动参数会发生一系列的波动，进而影响到环保排放参数，当燃烧脉动波动整体变大时，会相对应的使得环保排放参数增大，甚至超过环保要求。此时，运行值班人员可以手动调高NOX目标排放值，来进一步稳定燃烧状况，以适当降低燃烧脉动参数。此外，当燃烧脉动参数变化剧烈或濒临熄火时，还可通过调节天然气系统PM1与PM3的燃料配比（split）来改善燃烧脉动与环保排放之间的关系。

每个探头都用于两个声波数据采集通道，当脉动数据低于0.1时，可认为CDM探头故障，排除监视。当单个探头出现失电后重新得电等问题时，可以在控制器中进行手动复位，若无法复位通道报警，需要进一步分析问题。当单个燃烧脉动出现故障时，可以在停机后进入燃机间拔下航空插头，模仿机组运行时探头采集声波信号的过程，利用函数信号发生器从引线侧向控制器发送信号，从根源上判断是否是探头本身出现了故障。函数信号发生器与CDM探头如图4所示。

在监视CDM脉动数据时，发现同一频段连续3个或以上数据出现报警时，可以关注排气分散度、NOX是否同时增大。相比于同样条件下，如果出现连续、多个燃烧脉动参数异常，伴随排气热电偶分散度增大或环保排放参数增大，需要考虑燃烧系统存在硬件损伤的可能性。不同负荷下各个燃烧室对应不同的热电偶，当排气热电偶分散度增大时，可以通过观察排气热电偶温度分布情况来判断其对应燃烧筒的状况。在图1中左侧，31支排气热电偶的温度与通过加权平均计算出的排气温度TTXM从上到下排列，当TTXD-1～31的数值与TTXM偏差超过20°时（大于20°变红，小于20°变蓝），偏差越大，红线/蓝线越粗。

通过CDM系统的应用与监视，大大改善了电厂运行人员对燃气轮机运行状况的认识，强化了环保排放参数的可调整性，同时也为业内重燃的进一步发展提供了典范。

参考文献：

[1]郑露霞，张士杰，王波，等.GE公司重型燃气轮机燃烧调整和初温判断[J].中国电机工程学报，2019，39（23）：6934-6943，7106.

[2]沈亚洲，付忠广，石黎，等.干式低排放燃烧室对NOX影响的研究[J].热力发电，2017，46（7）：46-53.

[3]焦叔建，王存诚，叶大，等.燃气轮机与燃气-蒸汽联合循环装置[M].中国电力出版社，2007：129-131.

[4]杨顺虎.燃气-蒸汽联合循环发电设备及运行[M].北京：中国电力出版社，2002.

[5]GE公司.重型燃气轮机运行和维护手册[Z].