胡志鵬，何 皚

(1． 重慶天驕航空動力有限公司設(shè)計中心，重慶 401135；2． 北京天驕航空產(chǎn)業(yè)投資有限公司工程技術(shù)部，北京 100084)

隨著現(xiàn)代燃?xì)廨啓C技術(shù)的發(fā)展和效率提高的需求，重型燃?xì)廨啓C的透平前溫度越來越高，以GE公司的重型燃?xì)廨啓C為例，目前F級重型燃?xì)廨啓C的透平前溫度就高達(dá)1 300 ℃，新一代G/H級重型燃?xì)廨啓C的透平前溫度更是高達(dá)1 450 ℃。在如此高的溫度下，重型燃?xì)廨啓C熱端部件如燃燒室或過渡段等部件長期運行也難免出現(xiàn)一些破裂和損壞等故障[1-2]，而燃燒室的故障又容易對機組造成重大事故，因此監(jiān)測燃燒室的健康狀態(tài)成了燃?xì)廨啓C研制過程中一個不得不考慮的問題。

然而，燃燒室內(nèi)過高的溫度環(huán)境又使得傳感器在該區(qū)域無法長期可靠的工作，目前工業(yè)上較為常用且經(jīng)濟的方法就是通過燃燒室后端透平排氣溫度熱電偶來間接的監(jiān)測燃燒室的健康狀態(tài)[3]。因為重型燃?xì)廨啓C環(huán)管型燃燒室有一個重要特征：當(dāng)重型燃?xì)廨啓C多個環(huán)管型燃燒室中的一個出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定、燃燒室破裂、燃燒溫度不均勻或過渡段破裂時，都會引起透平的進口流場和溫度不均勻，影響排氣端的溫度分布。傳統(tǒng)的方法就是在透平排氣通道中盡可能多地布置測溫?zé)犭娕迹缓髾z測這些熱電偶所測溫度是否都相同，但在實際工業(yè)中，由于干擾和噪聲的存在，即使重型燃?xì)廨啓C處于穩(wěn)定正常運行狀態(tài)下，這些熱電偶所測溫度也不可能絕對相同。

而且，因為重型燃?xì)廨啓C在不同的工況運行時，透平前溫和排氣溫度都是不同的。當(dāng)機組并網(wǎng)發(fā)電時，若所帶負(fù)荷較多發(fā)電量大時，重型燃?xì)廨啓C需要的燃料量多，透平前溫也必然高些。相反，若機組所帶負(fù)荷較少時，則透平前溫低，排氣溫度也低。而排氣溫度的不同也影響排氣溫度的不均勻程度：當(dāng)排氣溫度高，其相應(yīng)的熱電偶所測量到的偏差也大，不均勻程度也大；相反，排氣溫度低，則這些熱電偶在不同地點所測量到的排氣溫度的偏差值也就較少，不均勻程度低。因此如何利用排氣溫度構(gòu)造適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)，準(zhǔn)確反映燃燒室狀態(tài)是在線燃燒故障診斷的難點。

此外，重型燃?xì)廨啓C的排氣端測溫?zé)犭娕家话愣荚趲资畟€，對每一個測溫?zé)犭娕荚O(shè)置閾值并進行監(jiān)測，不利于修改和維護，給用戶和工程師都帶來了較大的設(shè)計負(fù)擔(dān)和使用維護不便。雖然目前的智能算法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機器學(xué)習(xí)等已經(jīng)有了很大的發(fā)展[4-5]，但這些智能算法一般運算復(fù)雜，需要高性能的芯片作為載體，難以實現(xiàn)低成本、高效率的實時性計算。因此燃?xì)廨啓C的在線燃燒監(jiān)測保護算法需要一種簡便而準(zhǔn)確度又高的算法。

針對上述問題，本文對GE的VIe控制系統(tǒng)的在線燃燒診斷方式進行了分析，并提出了一種基于余弦定理的燃?xì)廨啓C在線故障診斷方法，最后以GE公司的6FA重型燃?xì)廨啓C為測試對象，以典型的傳感器故障和燃燒故障進行了仿真實驗。

1 GE機組的燃燒故障診斷原理

1.1 常見的燃燒故障

根據(jù)目前燃?xì)廨啓C電廠用戶的使用經(jīng)驗，常見的燃燒室故障主要有[6]：

1) 燃燒室、過渡段燒損：通常由于起動時，燃燒室的氣路通道被鐵屑、焊渣、油污等異物堵塞，從而使得燃料量過于集中在燃燒室部件的某一點上，使得燃燒室和過渡態(tài)發(fā)生不同程度的裂紋，如圖1所示。

2) 噴嘴堵塞或燒灼：也是因為長期運行后，由積灰在管道壁上不斷沉積，使得噴嘴和管道壁的內(nèi)徑縮小，產(chǎn)生節(jié)流，容易引起燃燒脈動壓力劇烈波動，特別是各型重型燃?xì)廨啓C先后采用預(yù)混噴嘴后，更加復(fù)雜的流道和結(jié)構(gòu)更加容易出現(xiàn)該類事故。

3) 傳感器故障：透平排氣端的熱電偶因為也工作在相對高溫的環(huán)境下，傳感器本身也會出現(xiàn)故障，容易導(dǎo)致控制系統(tǒng)誤認(rèn)為燃燒室故障而跳閘停機。

1.2 燃燒故障特征的觀測

對于上述燃燒室故障，目前有兩種通用的診斷方式[7]，第一種采用添加硬件診斷裝置的方式，通過直接在燃燒室加裝燃燒脈動壓力傳感器及分析儀，用來捕捉燃燒脈動壓力異常來監(jiān)測燃燒室，但這種方式成本較高，需要購置額外的硬件設(shè)備。

另一種可行的辦法就是采用軟件診斷的辦法，由于燃燒異常通常會影響透平的排氣溫度，因此可以在控制系統(tǒng)中添加透平排氣溫度監(jiān)測模塊來間接的對燃燒室進行診斷，這種方法成本低，可靠性也較高，目前受到越來越多燃?xì)廨啓C廠商的青睞。這種方法特別適用于采用環(huán)形管筒式燃燒結(jié)構(gòu)的燃?xì)廨啓C，由于多個燃燒室同時出現(xiàn)故障的概率極低，因此當(dāng)某一燃燒室出生故障時，那必將引起透平排氣分散度的不均勻。因此一種可行的辦法就是在燃?xì)廨啓C透平排氣端均勻安裝測溫?zé)犭娕?，來捕抓透平排氣溫度的不均勻程度，學(xué)術(shù)上也稱溫度分散度，這種診斷架構(gòu)如圖2所示。

從診斷的角度來看，透平排氣端的熱電偶個數(shù)越多，透平排氣溫度場的分布度獲取就更準(zhǔn)確，但從成本和燃?xì)廨啓C本身安裝位置考慮，其測溫?zé)犭娕嫉陌惭b個數(shù)是有限的，其個數(shù)通常為燃燒室的個數(shù)的1～3倍左右。以GE重型燃?xì)廨啓C系列為例，燃燒室和測溫?zé)犭娕紓€數(shù)如表1所示。

表1 GE燃?xì)廨啓C的燃燒室與排氣測溫?zé)犭娕紨?shù)量對比

從表1中可以看出，燃?xì)廨啓C的功率越大，排氣流量也越大，透平的排氣面積圓也越大，可安裝的傳感器也就越多，但傳感器數(shù)量越多，發(fā)生的故障概率也就越大。

1.3 基于經(jīng)驗公式故障診斷方法

基于經(jīng)驗公式的燃燒診斷在GE系列燃?xì)廨啓C中被大量采用，其主要的診斷步驟如下：

1) 首先根據(jù)經(jīng)驗公式計算一個透平排氣溫度允許度Sallow；

2) 分別將透平熱電偶最高測量值與最低測量值之差、最高測量值與第二測量最低值之差、最高測量值與第三測量最低值之差和最高測量值與第四測量最低值之差記為分散度S1，S2，S3和S4；

3) 設(shè)定警告值、停機值和緊急跳閘值，根據(jù)S1/Sallow、S2/Sallow、S3/Sallow和S4/Sallow超過這些警告、停機、跳閘閾值的情況、以及最低度數(shù)間的是否相鄰情況，得到一系列的故障標(biāo)志信號L60SP1～L60SP16；

4) 根據(jù)預(yù)先制定的規(guī)則，組合L60SP1～L60SP16的邏輯，從而得到熱電偶故障和燃燒故障為真的判斷。

GE的Mark VIe透平排氣溫度允許度Sallow的公式如下：

Sallow=T4×CTL4-P2×CTL3+CTL5

式中：T4為透平出口溫度，P2為壓氣機出口壓力，CTL4、CTL3和CTL5為經(jīng)驗系數(shù)，對于6FA燃?xì)廨啓C，CTL3為0.06，CTL4為0.155，CTL5為-10。對于9FA燃?xì)廨啓C，CTL3為0.08，CTL4為0.12～0.145，CTL5為30。

燃燒故障診斷的規(guī)則判斷如下：

燃燒故障警告：1)兩個排氣溫度最低的熱電偶相鄰，并且它們與最高值之差都超過了警告閾值；2)第2、3、4低的三個熱電偶相鄰，且它們與最高值之差都超過了停機閾值。

燃燒故障跳閘：1)三個排氣溫度最低的熱電偶相鄰，并且它們與最高值之差都超過了警告閾值；2)第2、3、4低的三個熱電偶相鄰，且它們與最高值之差都超過了停機閾值。

熱電偶故障：1)最低與最高值之差超過了一個明顯不可能的閾值；2)只有一個最低與最高值之差超過了警告閾值。

這種方法的缺陷是透平排氣溫度允許度Sallow本身會受到測量噪聲的干擾，而且燃燒故障發(fā)生，其經(jīng)過透平中氣流的多輪旋轉(zhuǎn)、摻混和傳熱之后，分散度S1，S2，S3和S4并不十分明顯，在實際工作過程中GE機組多次出現(xiàn)過診斷不及時的報道[8]，或者誤將傳感器故障當(dāng)成了燃燒室故障，因此仍然依賴有經(jīng)驗的工程師對透平排氣分散度的結(jié)果進一步分析。

2 基于余弦定理的在線故障診斷

上一節(jié)中，基于傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式的方法可以看出，其燃燒監(jiān)測保護方法過于復(fù)雜，大量的經(jīng)驗參數(shù)需要整定。而且警告、停機閾值等參數(shù)必須隨著燃?xì)廨啓C部件特性的衰竭不斷地進行實時調(diào)整，否則隨著燃?xì)廨啓C使用壽命的延長，傳統(tǒng)的診斷算法準(zhǔn)確率不斷下降。因此本文利用基于余弦定理的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，實現(xiàn)由一個利用正常與故障數(shù)據(jù)組的偏差角度來表征分散度的方法，從而提高燃?xì)廨啓C燃燒監(jiān)測保護系統(tǒng)的實時性和準(zhǔn)確度。

2.1 余弦定理在故障診斷中的應(yīng)用原理

余弦定理的原理就是多維空間中，任意兩個向量都存在一個夾角。比如當(dāng)燃?xì)廨啓C正常運行時，一組正常的透平排氣熱電偶的測量數(shù)據(jù)向量為Tnor=[T1T2…Tn]，其中n表示透平排氣端測溫?zé)犭娕嫉陌惭b數(shù)目。同樣一組燃燒故障下透平熱電偶數(shù)組向量為Tfault=[Tf1Tf2…Tfn]，那無故障下的透平熱電偶測量數(shù)組向量Tnor和故障下透平熱電偶數(shù)組向量Tfault在多維空間中張成的余弦角度可以表示為：

式中：〈Tnor,Tfault〉表示向量Tnor和向量Tfault的內(nèi)積，‖·‖2表示向量的2范數(shù)。

因此，如果發(fā)生故障，正常時透平熱電偶數(shù)組向量Tnor和故障下透平熱電偶數(shù)組向量Tfault的余弦角度θ就會越大，而無故障情況下θ會接近于0。而且，由于燃燒室和熱電偶的排列都是對稱均勻式排列，因此當(dāng)不同燃燒室發(fā)生同樣的燃燒故障時，它們的cosθ值將非常接近，可以看作一類故障。值得一提的是，由于這種基于透平排氣溫度場的間接燃燒診斷的方式，依賴于透平測溫?zé)犭娕?，而熱電偶本身也會出現(xiàn)故障而得到不均勻的分布場，這種故障需要與燃燒本身故障區(qū)別。

2.2 故障診斷架構(gòu)設(shè)計

因此，根據(jù)上述余弦定理的應(yīng)用，本文設(shè)計的燃燒故障診斷流程如圖3所示。

首先通過安裝在燃?xì)廨啓C透平排氣端同一截面上的測溫?zé)犭娕嫉玫酵钙降膶崟r測量溫度Tfault=[Tf1Tf2…Tfn]。由于在正常狀態(tài)下，透平排氣端熱電偶近似相當(dāng)，因此在程序中設(shè)置的Tnor=[1 1 … 1]利用前述的余弦角度。

警告機制：如果余弦角度大于0，則認(rèn)為故障存在，進行預(yù)警?？紤]到噪聲的存在，該預(yù)警閾值應(yīng)該設(shè)計為一個約大于0的數(shù)。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，建議預(yù)警閾值取2度。

故障分類：警告觸發(fā)后激活故障分類模塊，進一步根據(jù)余弦角度的不同，將故障分類，特別是將傳感器類的故障區(qū)分出來，以免產(chǎn)生不必要的機組跳閘。

3 仿真驗證

以某電廠的6FA燃?xì)廨啓C為試驗對象，選取該重型燃?xì)廨啓C的真實歷史數(shù)據(jù)和搭建的全數(shù)字仿真平臺進行實驗驗證，該數(shù)字仿真平臺是一種基于部件建模機理模型和真實歷史數(shù)據(jù)混合的模型，機理模型首先根據(jù)燃料量和IGV角度計算出當(dāng)前狀態(tài)的T4值，然后根據(jù)T4值到真實歷史數(shù)據(jù)中插值取出21個測溫?zé)犭娕嫉膶嶋H測量值，燃燒故障和傳感器故障則參考真實故障歷史數(shù)據(jù)進行仿真模擬。6FA燃?xì)廨啓C的透平排氣端均勻地安裝了21個測溫?zé)犭娕?，平均約1秒刷新一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的記錄單位為℃。

圖4給出了燃?xì)廨啓C在正常無故障情況下，燃?xì)廨啓C透平排氣溫度在不同負(fù)荷下T4的變化，燃?xì)廨啓C透平排氣溫度為21個測溫?zé)犭娕既サ糇罡咧岛妥畹椭等∑骄蟮慕Y(jié)果。從圖中可以看出，T4還是表現(xiàn)出了明顯的波動，這是因為測溫?zé)犭娕际茉肼暫腿細(xì)廨啓C運行工況變化的干擾，不僅在不同時刻，同一測溫?zé)犭娕妓鶞y溫度幅值不同，而且在同一時刻，不同測溫?zé)犭娕际懿贾梦恢玫挠绊?，所測溫度幅值也不相同。

在本次仿真驗證中，模擬了燃?xì)廨啓C在不同時刻發(fā)生的三類情況：正常情況、熱電偶故障和燃燒故障，并采用單位℃，其透平排氣溫度場在這三種情況下的分布如圖5所示。從圖5中可以看出，當(dāng)無故障時，21個測溫?zé)犭娕嫉闹捣浅＝咏虼嗽诶走_(dá)圖中張成一個近似圓形；當(dāng)測溫?zé)犭娕脊收蠒r，則除了該測點出現(xiàn)溫度過低外，其他溫度都近似相等；當(dāng)一個燃燒室的燃燒故障時，透平排氣端會出現(xiàn)低溫區(qū)，21個測溫?zé)犭娕嫉闹祻埑傻膱A在某一段會出現(xiàn)內(nèi)凹。

在判斷閾值的選擇上，有憑經(jīng)驗的簡單閾值選擇方法，和基于模式識別等人工智能的自適應(yīng)閾值法[9]，從本文的方法來看，由于正常、燃燒室故障和傳感器故障狀態(tài)下分別張成的余弦定理區(qū)別較為明顯，本仿真實驗僅選擇簡單的閾值1和閾值2作為這些狀態(tài)區(qū)分的閾值。

基于本文的方法得到整個燃?xì)廨啓C在不同狀態(tài)下的余弦角度如圖6所示。從圖中可以看出，在前24 s無故障時，排氣溫度分散度的變化較小，其值約等于1°，在25 s后出現(xiàn)熱電偶故障后，余弦角度有了明顯的向上跳變趨勢，如果設(shè)定一個角度為3°的閾值1，可以很容易的把這個故障識別出來。

而當(dāng)48 s后發(fā)生燃燒故障時，可以看到余弦角度有明顯的下降但不會回到正常條件下的1°左右，再設(shè)定一個閾值2，當(dāng)余弦角度在2°～3°時，判斷為燃燒故障。

從圖6不同故障下的排氣溫度余弦角度來看，能明顯的區(qū)分熱電偶故障和燃燒故障，從而證明了本文方法的有效性。

值得注意的是，上述試驗中的熱電偶故障為突變性傳感器故障，如果熱電偶故障為漂移性傳感器故障，并且漂移幅度低于25%時，它的余弦角度將與燃燒故障時的狀態(tài)相近，這時會難以區(qū)分，需要工程師進行人工分析或設(shè)置更加復(fù)雜的判斷邏輯。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于余弦定理的燃燒診斷方法。通過利用燃?xì)廨啓C透平排氣溫度向量與理想正常狀態(tài)下透平排氣溫度向量在不同狀態(tài)下的空間余弦夾角來監(jiān)測燃燒故障。通過基于電廠真實運行數(shù)據(jù)和搭建的數(shù)字仿真平臺驗證，其結(jié)果表明本文提出的算法能很好地區(qū)分熱電偶故障和燃燒故障，并且保持了較好的抗干擾能力，而且整個算法計算簡單，易于工程實現(xiàn)，可以為燃?xì)廨啓C控制系統(tǒng)設(shè)計和運行提供參考。后續(xù)可以進一步細(xì)分不同的燃燒室部件故障生成的余弦夾角，提高該算法的故障分離能力。