一种燃气轮机进气系统性能诊断方法

1.本发明涉及燃气轮机，故障诊断的技术领域，尤其涉及一种燃气轮机进气系统性能诊断方法。

背景技术：

2.重型燃气轮机的进气系统是蒸汽-燃气联合循环电厂中重要的通流部件，当进气系统的管路状况如因结垢、积灰等改变时，会导致进气系统的压力损失增大，进而导致机组的热效率下降，当前燃气轮机电厂对进气系统和排气系统的健康监测主要是通过对进气系统和排气系统的压差信号来判断，如当进气系统的压差信号大于某一监测阈值时，则判断需要更换进气滤清装置；如当排气系统的压差信号过大时，则判断余热锅炉侧存在严重的结垢、积焦等问题。
3.现有的技术仅从压差来判断工质流经的进、排气系统管路状况，然而从数学本质上讲，进排气系统的压差大小不仅和流经的管路状况有关，还和气体工质的质量流量、比容等有关，当流经管路的气体工质的质量流量、比容等参数因机组运行工况变化而发生变化时，进、排气系统的压差也会相应改变，因此仅从压差来判断流经的管路状况过于片面，很容易出现误导性的诊断结果，应该综合气体工质的质量流量、比容等因素来更为准确的诊断。

技术实现要素：

4.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
5.鉴于上述现有燃气轮机进气系统性能诊断方法存在的问题，提出了本发明。
6.因此，本发明目的是提供一种燃气轮机进气系统性能诊断方法。
7.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：根据进气系统的入口气体质量流量和进气系统入口工质密度推导进气系统压差与入口工质参数的关系式；
8.将压损特征指数ge
in
定义为进气系统健康特征参数，来表征进气系统管路状况变化的量化指标，得到实际所述进气系统压差与所述入口工质参数的关系式；
9.基于实测的进气系统压差和入口工质参数通过实际进气系统压差与入口工质参数的关系式求解得到所述压损特性指数ge
in
；
10.根据所述压损特性指数ge
in
评估进气系统的健康状况。
11.作为本发明所述燃气轮机进气系统性能诊断方法的一种优选方案，其中：对于进气系统，进气系统在空气流经粗滤、精滤、进气弯道过程中，会产生沿程阻力损失和局部阻力损失，进气系统的压损的公式如下：
12.13.其中，δp
l
为沿程阻力损失，δp
ξ
为局部阻力损失，λ为沿程阻力摩擦系数，ξ为局部阻力损失系数，d为管段当量直径，l为管段长度，ρ
in
为进气系统的入口工质密度，c
in
为进气系统的入口工质速度，δp
in
为进气系统的压损。
14.作为本发明所述燃气轮机进气系统性能诊断方法的一种优选方案，其中：进气系统进口气流状态随着环境条件和机组工况变化而变化，进气系统的尺寸和管路状况在健康情况下不随环境条件和机组工况而变化；
15.λl/d+ξ为固定值，气体流经进气系统产生的流动阻力损失δp
in
与成正比。
16.作为本发明所述燃气轮机进气系统性能诊断方法的一种优选方案，其中：所述进气系统的入口工质速度c
in
的表达式如下：
17.c
in
＝g
in
/ρ
ina18.其中，g
in
表示进气系统的入口气体质量流量，a表示进气系统的入口截面积。
19.作为本发明所述燃气轮机进气系统性能诊断方法的一种优选方案，其中：进气系统压差与入口工质参数的关系式如下：
[0020][0021]
其中，下角标de表示设计工况，v
in
为进气系统的入口工质比容，若知道当前工况下与设计工况下的入口空气质量流量的相对值和比容的相对值，则可求得当前计算工况下的进气道压损δp
in
。
[0022]
作为本发明所述燃气轮机进气系统性能诊断方法的一种优选方案，其中：所述实际进气系统压损与入口气体参数的关系如下：
[0023][0024]
作为本发明所述燃气轮机进气系统性能诊断方法的一种优选方案，其中：所述压损特征指数ge
in
公式如下：
[0025][0026]
作为本发明所述燃气轮机进气系统性能诊断方法的一种优选方案，其中：若ge
in
的数值为1时，表示进气系统处于基准健康状态；
[0027]
若ge
in
数值》1时，表示存在结垢、积灰等管路状况，数值越大表明越严重。
[0028]
作为本发明所述燃气轮机进气系统性能诊断方法的一种优选方案，其中：所述进气系统性能诊断方法适用于排气系统，定义压损特性指数ge
ex
作为排气系统健康特征参数，来表征排气系统管路状况变化的量化指标；
[0029]
排气系统压损δp
ex
与入口气体参数的关系如下：
[0030][0031]
其中，g5表示排气系统进口烟气的质量流量，ρ5表示排气系统进口烟气的密度。
[0032]
作为本发明所述燃气轮机进气系统性能诊断方法的一种优选方案，其中：所述排
气系统压损特性指数ge
ex
计算公式如下：
[0033][0034]
若ge
ex
的数值为1时，表示排气系统处于基准健康状态，若数值》1时为存在结垢、积焦等管路状况，数值越大表明越严重。
[0035]
本发明的有益效果：本发明定义无量纲化的压损特性指数作为重型燃气轮机的进气系统和排气系统的性能健康量化指标，诊断时不受到机组运行工况变化的干扰，有较高的诊断准确性和抗干扰性。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0037]
图1为本发明燃气轮机进气系统性能诊断方法的流程图。
[0038]
图2为本发明燃气轮机系统工作示意图。
[0039]
图3为进气系统无结垢、积灰等管路状况时的诊断准确性测试结果对比图。
[0040]
图4为排气系统无结垢、积焦等管路状况时的诊断准确性测试结果对比图。
[0041]
图5为进气系统存在结垢、积灰等管路状况时的诊断准确性测试结果对比图。
[0042]
图6为排气系统存在结垢、积焦等管路状况时的诊断准确性测试结果对比图。
具体实施方式
[0043]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
[0044]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0045]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0046]
再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0047]
实施例1
[0048]
参照图1，一种燃气轮机进气系统性能诊断方法包括进气系统和排气系统的诊断。
[0049]
对燃气轮机进气系统性能进行诊断。需要说明的是：
[0050]
由流体力学可知，进气系统的空气流经粗滤、精滤、进气弯道等过程中，会产生沿程阻力损失和局部阻力损失，如下式所示：
[0051][0052]
其中，δp
l
为沿程阻力损失，δp
ξ
为局部阻力损失，λ为沿程阻力摩擦系数，ξ为局部阻力损失系数，d为管段当量直径，l为管段长度，ρ
in
为进气系统的入口工质密度，c
in
为进气系统的入口工质速度，δp
in
为进气系统的压损。
[0053]
进气系统进口气流状态随着环境条件和机组工况变化而变化，而进气系统的尺寸和管路状况在健康情况下不随工况而变化，因此λl/d+ξ不变；此时，空气流经进气系统产生的流动阻力损失δp
in
与成正比。
[0054]
由c0＝g0/ρ0a(由工质质量流量可知)，则进气系统压损与入口空气参数的关系如下：
[0055][0056]
其中，下角标de表示设计工况，g0表示进气系统的入口工质质量流量，a表示进气系统的入口截面积，v0表示进气系统的入口工质比容
[0057]
在知道当前工况下与设计工况下的入口空气质量流量的相对值和比容的相对值以及设计工况下的进气系统压损值δp
in,de
，可以求得当前计算工况下的进气道压损δp
in
。
[0058]
进气系统的健康状态主要与管路状况(λl/d+ξ)改变有关，当进气系统存在结垢、积灰等管路状况时，进气系统的相较于无结垢、积灰等管路状况时变大，从而影响进气系统的压力损失δp
in
。
[0059]
定义压损特性指数作为进气系统健康特征参数，来表征进气系统管路状况变化的量化指标，此时进气系统压损与入口空气参数的关系如下：
[0060][0061]
若知道当前工况下与设计工况下的入口气体质量流量的相对值密度的相对值和压差的相对值则可以求得当前计算工况下的进气系统压损特性指数ge
in
，公式如下：
[0062][0063]
当ge
in
的数值为1时，表示进气系统处于基准健康状态，数值》1时为存在结垢、积灰等管路状况，数值越大表明越严重。
[0064]
对燃气轮机排气系统性能进行诊断。需要说明的是：
[0065]
排气系统的烟气流经余热锅炉的省煤器、蒸发器、过热器、再热器等过程中，也会产生沿程阻力损失和局部阻力损失，排气系统的健康状态主要与管路状况改变有关，从而影响排气系统的压力损失，同理，定义压损特性指数ge
ex
作为排气系统健康特征参数，来表征排气系统管路状况变化的量化指标。
[0066]
此时排气系统压损δp
ex
与入口气体参数的关系如下：
[0067][0068]
式中g5表示排气系统进口烟气的质量流量；ρ5表示排气系统进口烟气的密度。因此，若知道当前工况下与设计工况下的排气系统进口烟气的质量流量的相对值密度的相对值和压差的相对值则可以求得当前计算工况下的排气系统压损特性指数ge
ex
，计算公式如下：
[0069][0070]
当ge
ex
的数值为1时，表示排气系统处于基准健康状态，数值》1时为存在结垢、积焦等管路状况，数值越大表明越严重。
[0071]
实施例2
[0072]
本实施例为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种燃气轮机进气系统性能诊断方法的验证测试，对本方法中采用的技术效果加以验证说明。
[0073]
传统的技术方案：当前燃气轮机电厂对进气系统和排气系统的性能健康监测主要是通过对进气系统和排气系统的压差信号来判断，如当进气系统的压差信号大于某一监测阈值时，则判断需要更换进气滤清装置；如当排气系统的压差信号过大时，则判断余热锅炉侧存在严重的结垢、积焦等问题。
[0074]
然而，从数学本质上讲，进排气系统的压差大小不仅和流经的管路状况有关，还和气体工质的质量流量、比容等有关，当流经管路的气体工质的质量流量、比容等参数因机组运行工况变化而发生变化时，进、排气系统的压差也会相应改变，因此仅从压差来判断流经的管路状况过于片面，很容易出现误导性的诊断结果。
[0075]
为验证本方法相对传统方法具有较高的诊断准确性和抗干扰性。
[0076]
本实施例中将采用传统通过对进气系统和排气系统的压差信号来判断的方法和本方法分别对f级重型燃气轮机的进、排气系统性能进行诊断准确性对比。
[0077]
测试环境：采集某电厂f级重型燃气轮机进、排气系统无结垢、积灰、积焦和有结
垢、积灰、积焦等管路状况的气路可测参数(其中大气温度在-5℃至45℃范围变化)，分别利用传统方法和本方法进行诊断准确性测试，诊断结果如下图3至图6所示。
[0078]
图3为进气系统无结垢、积灰等管路状况时的诊断准确性测试结果对比图。
[0079]
图3(a)为传统方法诊断结果图，由图3(a)可以看出，进气系统无结垢、积灰等管路状况时，由于大气温度变化导致机组运行工况变化，引起流经进气系统管路的工质的质量流量、比容等参数因机组运行工况变化而发生变化时，此时监测得到的进气系统压差也随着大气温度升高而显著上升，出现误导性的诊断结果。
[0080]
图3(b)为本方法诊断结果图，由图3(b)可以看出，通过本方法诊断得到的进气系统压损特性指数则基本维持在数值1附近(数值1表示基准健康状态)，并未受到机组运行工况变化的干扰，说明了本方法更高的较高的诊断准确性和抗干扰性。
[0081]
图4为排气系统无结垢、积焦等管路状况时的诊断准确性测试结果对比图。
[0082]
图4(a)为传统方法诊断结果图，由图4(a)可以看出，排气系统无结垢、积焦等管路状况时，由于大气温度变化导致机组运行工况变化，引起流经排气系统管路的工质的质量流量、比容等参数因机组运行工况变化而发生变化时，此时监测得到的排系统压差也随着大气温度升高而显著下降，出现误导性的诊断结果。
[0083]
图4(b)为本方法诊断结果图，由图4(b)可以看出，通过本方法诊断得到的排气系统压损特性指数则基本维持在数值1附近(数值1表示基准健康状态)，并未受到机组运行工况变化的干扰，说明了本方法更高的较高的诊断准确性和抗干扰性。
[0084]
图5为进气系统存在结垢、积灰等管路状况时的诊断准确性测试结果对比图。
[0085]
图5(a)为传统方法诊断结果图，由图5(a)可以看出，进气系统存在结垢、积灰等管路状况时，由于大气温度变化导致机组运行工况变化，引起流经进气系统管路的工质的质量流量、比容等参数因机组运行工况变化而发生变化时，此时监测得到的进气系统压差也随着大气温度升高而显著上升，出现误导性的诊断结果。
[0086]
图5(b)为本方法诊断结果图，由图5(b)可以看出，通过本方法诊断得到的进气系统压损特性指数则基本维持在数值1.2附近(数值1表示基准健康状态，数值》1时为存在结垢、积灰等管路状况，数值越大表明越严重)，并未受到机组运行工况变化的干扰，说明了本方法更高的较高的诊断准确性和抗干扰性。
[0087]
图6为排气系统存在结垢、积焦等管路状况时的诊断准确性测试结果对比图。
[0088]
图6(a)为传统方法诊断结果图，由图6(a)可以看出，排气系统存在结垢、积焦等管路状况时，由于大气温度变化导致机组运行工况变化，引起流经排气系统管路的工质的质量流量、比容等参数因机组运行工况变化而发生变化时，此时监测得到的排气系统压差也随着大气温度升高而显著下降，出现误导性的诊断结果。
[0089]
图6(b)为本方法诊断结果图，由图6(b)可以看出，通过本方法诊断得到的排气系统压损特性指数则基本维持在数值1.2附近(数值1表示基准健康状态，数值》1时为存在结垢、积焦等管路状况，数值越大表明越严重)，并未受到机组运行工况变化的干扰，说明了本方法更高的较高的诊断准确性和抗干扰性。
[0090]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发
明的权利要求范围当中。

技术特征：

1.一种燃气轮机进气系统性能诊断方法，其特征在于：包括，根据进气系统的入口气体质量流量和进气系统入口工质密度推导进气系统压差与入口工质参数的关系式；将压损特征指数ge
in
定义为进气系统健康特征参数，来表征进气系统管路状况变化的量化指标，得到实际所述进气系统压差与所述入口工质参数的关系式；基于实测的进气系统压差和入口工质参数通过实际进气系统压差与入口工质参数的关系式求解得到所述压损特性指数ge
in
；根据所述压损特性指数ge
in
评估进气系统的健康状况。2.如权利要求1所述的燃气轮机进气系统性能诊断方法，其特征在于：对于进气系统，进气系统在空气流经粗滤、精滤、进气弯道过程中，会产生沿程阻力损失和局部阻力损失，进气系统的压损的公式如下：其中，δp
l
为沿程阻力损失，δp
ξ
为局部阻力损失，λ为沿程阻力摩擦系数，ξ为局部阻力损失系数，d为管段当量直径，l为管段长度，ρ
in
为进气系统的入口工质密度，c
in
为进气系统的入口工质速度，δp
in
为进气系统的压损。3.如权利要求2所述的燃气轮机进气系统性能诊断方法，其特征在于：进气系统进口气流状态随着环境条件和机组工况变化而变化，进气系统的尺寸和管路状况在健康情况下不随环境条件和机组工况而变化；λl/d+ξ为固定值，气体流经进气系统产生的流动阻力损失δp
in
与成正比。4.如权利要求2所述的燃气轮机进气系统性能诊断方法，其特征在于：所述进气系统的入口工质速度c
in
的表达式如下：c
in
＝g
in
/ρ
in
a其中，g
in
表示进气系统的入口气体质量流量，a表示进气系统的入口截面积。5.如权利要求1～4任一所述的燃气轮机进气系统性能诊断方法，其特征在于：进气系统压差与入口工质参数的关系式如下：其中，下角标de表示设计工况，v
in
为进气系统的入口工质比容，若知道当前工况下与设计工况下的入口空气质量流量的相对值和比容的相对值，则可求得当前计算工况下的进气道压损δp
in
。6.如权利要求5所述的燃气轮机进气系统性能诊断方法，其特征在于：所述实际进气系统压损与入口气体参数的关系如下：7.如权利要求1或6所述的燃气轮机进气系统性能诊断方法，其特征在于：所述压损特征指数ge
in
公式如下：
8.如权利要求7所述的燃气轮机进气系统性能诊断方法，其特征在于：若ge
in
的数值为1时，表示进气系统处于基准健康状态；若ge
in
数值>1时，表示存在结垢、积灰等管路状况，数值越大表明越严重。9.如权利要求1所述的燃气轮机进气系统性能诊断方法，其特征在于：所述进气系统性能诊断方法适用于排气系统，定义压损特性指数ge
ex
作为排气系统健康特征参数，来表征排气系统管路状况变化的量化指标；排气系统压损δp
ex
与入口气体参数的关系如下：其中，g5表示排气系统进口烟气的质量流量，ρ5表示排气系统进口烟气的密度。10.如权利要求9所述的燃气轮机进气系统性能诊断方法，其特征在于：所述排气系统压损特性指数ge
ex
计算公式如下：若ge
ex
的数值为1时，表示排气系统处于基准健康状态，若数值>1时为存在结垢、积焦等管路状况，数值越大表明越严重。

技术总结

本发明公开了供一种燃气轮机进气系统性能诊断方法，其包括：根据进气系统的入口气体质量流量和进气系统入口工质密度推导进气系统压差与入口工质参数的关系式；将压损特征指数GE

技术研发人员：

应雨龙 李靖超

受保护的技术使用者：

上海电力大学

技术研发日：

2022.07.15

技术公布日：

2022/11/22