CDM在9FB燃氣輪機的應用

于金

摘要：燃燒是燃氣輪機運行狀況的最重要指標，也是環保排放參數的直接決定因素。因此，采集燃燒相關參數并進行實時監視是保證燃氣輪機穩定運行的必要手段。9FB型燃氣輪機的燃燒脈動監視（CDM）系統，對機組的實時監視及穩定運行具有重大意義。

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.

關鍵詞：CDM系統;燃燒;HMI;脈動;排放

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

中圖分類號：TM621.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0221-02

CDM系統的主要組成部分包括探頭、探頭支架、專用電纜、JB1000接線箱及信號放大器、控制系統及人機交互界面（HMI）等。

9FB型機組的燃燒室配有18個燃燒器，每個燃燒器上安裝有一個CDM探頭，探頭的插入深度隨機組型號變化有不同的標準。燃燒器先行安裝進燃燒筒，再固定CDM探頭，因此探頭的插入深度是肉眼無法捕捉的，所以CDM探頭的安裝需要使用隨機組配備的專用安裝工具，以控制插入深度，防止距離過近損壞探頭或距離過遠測量不準。CDM探頭專用安裝工具如圖1所示。

壓電檢測裝置CDM探頭在機組運行過程中采集的聲波型信號，以微微庫倫的電荷信號（pC/psi）方式經專用電纜傳送到燃機間外的接線箱JB1000中，通過JB1000中的PCB信號放大器將探頭采集到的電荷信號轉換為壓電信號（mV/psi）后送往控制系統，進行模數轉換、快速傅里葉變換（FFT）計算，將加密的計算結果送往控制器進行分析、處理后分組顯示。

需要注意的是，每個探頭上都標有不同的靈敏度，每個PCB信號放大器上都有不同的電荷/電壓轉換參數，安裝時需要逐個進行記錄，并將記錄下的對應參數輸入到控制系統中，以保證快速傅里葉變換（FFT）計算的準確性。PCB信號放大器與JB1000接線箱如圖2所示。

CDM動壓探頭采集到的聲波型信號，往往會在管壁上形成對測量參數造成影響的回聲，通過探頭支架上的阻尼管進行衰減，以降低數據失真的可能。

探頭支架后的專用電纜，是低噪音、耐高溫、帶屏蔽的預制鎧裝電纜。為防止電纜對測量數據造成影響，18支探頭的電纜必須保持同樣長度，從燃機間延伸出來，不得截斷。

傳送到控制系統的壓電信號（mV/psi）在經過模數轉換、快速傅里葉變換（FFT）計算后，得到表征燃燒脈動的各組數據頻率（Hz）-壓力（psi），操作員可通過人機交互界面（HMI）對燃燒脈動參數進行實時監視，燃燒脈動監視共分為6組數據，分別放在6個頻段中：B（Blow-Out）熄火頻段（6-22Hz）、L（Low）低頻段（22-102Hz）、M（Medium）中頻段（102-190Hz）、H（High）高頻段（190-900Hz）、T（Transverse）橫斷頻段（190-213Hz）、S（Screech）嘯聲頻段（900-3200Hz）。

B頻段的最高值PK0，表示燃燒越不穩定、存在熄火的可能;L頻段的最高值PK1，表示火焰強度太軟;M頻段最高值為PK2，表示火焰強度好;H頻段中間值為PK3，表示火焰強度硬、燃燒強烈;T頻段通常是H頻段的一部分，與2級、3級透平葉片的固有頻率重合，容易產生共鳴，該頻段不參與計算、保護;S頻段最高值為PK4，屬于超高頻范圍，畫面監視中超過3200Hz的數據都顯示為3200Hz，這些通常是壓氣機葉頂漏氣產生的聲波，不是燃燒系統的真實反映。各頻段數據在頻率交界處可能出現橫跨現象，不屬于故障范圍。

當各頻段的數據超出一定范圍時，畫面會顯示報警1（黃色）、報警2（紅色）。B頻段的兩個報警值分別為2psi、3psi，L頻段的兩個報警值分別為4psi、6psi，M頻段的兩個報警值分別為4psi、6psi，H頻段的兩個報警值分別為3psi、4psi。CDM監視畫面如圖3所示。

燃燒脈動參數直接參與燃氣輪機的保護，當脈動超過一定范圍時將觸發快速減負荷信號（LCY_TPMF_H），其中包括：PK1>6psi延時10分鐘/PK1>12psi延時15秒、PK2>6psi延時10分鐘/PK2>12psi延時15秒、PK3>4psi延時10分鐘/PK3>12psi延時15秒、PK4>1.3psi延時10分鐘/PK4>1.6psi延時15秒。

此外，燃燒脈動參數會直接影響環保排放數據。當燃燒脈動參數超過一定報警限值或長時間頻繁波動時，環保排放參數會變大，比如一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮等。環保排放參數與燃燒脈動參數一般情況下處于動態平衡的狀態中，當環境條件突然劣化時，燃燒脈動參數會發生一系列的波動，進而影響到環保排放參數，當燃燒脈動波動整體變大時，會相對應的使得環保排放參數增大，甚至超過環保要求。此時，運行值班人員可以手動調高NOX目標排放值，來進一步穩定燃燒狀況，以適當降低燃燒脈動參數。此外，當燃燒脈動參數變化劇烈或瀕臨熄火時，還可通過調節天然氣系統PM1與PM3的燃料配比（split）來改善燃燒脈動與環保排放之間的關系。

每個探頭都用于兩個聲波數據采集通道，當脈動數據低于0.1時，可認為CDM探頭故障，排除監視。當單個探頭出現失電后重新得電等問題時，可以在控制器中進行手動復位，若無法復位通道報警，需要進一步分析問題。當單個燃燒脈動出現故障時，可以在停機后進入燃機間拔下航空插頭，模仿機組運行時探頭采集聲波信號的過程，利用函數信號發生器從引線側向控制器發送信號，從根源上判斷是否是探頭本身出現了故障。函數信號發生器與CDM探頭如圖4所示。

在監視CDM脈動數據時，發現同一頻段連續3個或以上數據出現報警時，可以關注排氣分散度、NOX是否同時增大。相比于同樣條件下，如果出現連續、多個燃燒脈動參數異常，伴隨排氣熱電偶分散度增大或環保排放參數增大，需要考慮燃燒系統存在硬件損傷的可能性。不同負荷下各個燃燒室對應不同的熱電偶，當排氣熱電偶分散度增大時，可以通過觀察排氣熱電偶溫度分布情況來判斷其對應燃燒筒的狀況。在圖1中左側，31支排氣熱電偶的溫度與通過加權平均計算出的排氣溫度TTXM從上到下排列，當TTXD-1～31的數值與TTXM偏差超過20°時（大于20°變紅，小于20°變藍），偏差越大，紅線/藍線越粗。

通過CDM系統的應用與監視，大大改善了電廠運行人員對燃氣輪機運行狀況的認識，強化了環保排放參數的可調整性，同時也為業內重燃的進一步發展提供了典范。

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