9F型燃机多通道燃烧动态压力监测系统研究

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.

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.

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.

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.

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.

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