[发明专利]一种燃气轮机排气二维温度场测量系统和方法

说明书

本发明公开了一种燃气轮机排气二维温度场测量系统和方法，所述系统包括：工控机；激光控制模块；激光光源；光纤合束器；激光发射及接收装置；转台驱动模块；镀膜反射镜；信号采集模块；所述工控机连接激光控制模块及信号采集模块，用于驱动激光控制板以及对采集到的信号进行处理；所述转台驱动模块用于控制转台高速转动；所述激光发射及接收装置固定在高速转台，并与镀膜反射镜分设于排气口两侧。所述系统和方法采用可调谐激光吸收光谱技术与断层扫描技术相结合的CT‑TDLAS技术，在燃气轮机的燃烧室尾部排气口处设置硬件设备，通过软硬件结合以实现排气二维温度场的检测，获得排气温度分布情况，可用于燃烧优化、故障诊断及控制策略分析。

技术领域

本发明属于排放测试领域，具体涉及一种燃气轮机排气二维温度场测量系统和方法。

背景技术

继汽轮机和内燃机问世之后，燃气轮机吸取了二者之长而被设计出来，它的应用发展迅速成为当前世界节能技术的主要发展方向之一。燃气轮机的叶轮和叶片在高温、高速下工作，随着温度的升高，这些受热零部件的材料强度会显著降低，超温会使燃气轮机受热部件寿命大大降低，腐蚀程度加重，严重的还会引起叶片断裂等恶性事故。所以燃气轮机在运行中要确保轮机进气温度不超过各受热部件的热应力承受上限，则需对轮机进气和排气温度进行测量并适当控制。同时排气温度信息还可用于气路故障诊断，燃气轮机气路故障不仅造成燃机性能下降，影响燃机的经济性，气路故障如果不能被及时发现和维修，还会影响燃气轮机机组运行的安全性和可靠性。

对于燃气轮机，其进气温度无法直接测量，燃气轮机进气温度控制原理的实质是通过测量较容易获取的燃气轮机排气温度，来间接计算和控制燃气轮机进气温度，即燃烧室后的燃烧温度。而目前常用的排气温度场测量方法主要是分布式热电偶测量法，通过安装在轮机后缸的一组K分度热电偶(有些机组也采用J分度热电偶)来获取排气温度信息。热电偶测温法会对介质流场分布产生影响，破环温度场的原始状态。在测量高速燃烧场时，测量的温度会高于实际温度，难以获得准确的瞬态温度。在高温高压环境条件下，传感器也容易受到损坏，从而无法获得准确的排气温度。此外，为获得温度场的测试数据，需在管道周围布置大量的传感器及数据采集通道，给应用带来了很大不便。

可调谐激光吸收光谱技术(tunable diode laser absorption spectroscopy简称TDLAS)测量具有动态响应特性好，灵敏度高，非采样测量，非接触测量等优点，能实现对排放污染气体的实时高精度测量，是测试手段的发展趋势。可调谐激光吸收光谱技术已经广泛应用于一维路径上气体温度的测量，所得到的是单一路径的平均值。但在实际工业生产中，受到气体湍流，化学反应等一些因素的影响，待测物理场的物理参数通常是非均匀且迅速变化的，因此为掌握准确完整地温度信息需要对二维温度场进行测量。计算机断层扫描技术(CT)已经广泛应用于医疗诊断。其投影重建过程的基本原理是通过旋转投影光线的角度逐层扫描整个待测区域，并将采集到的数据重建，生成的图像可以反映每一个截面的信息。将其与可调谐激光吸收光谱技术相结合，利用一些二维场重建算法进行反演，就可由吸收光谱数据重建出待测区间温度的二维分布图。

发明内容

本发明其中一个发明目的在于提供一种燃气轮机排气二维温度场测量系统和方法。所述系统和方法采用可调谐激光吸收光谱(TDLAS)技术与断层扫描(CT)技术相结合的CT-TDLAS技术，在燃气轮机的燃烧室尾部排气出口处设置硬件设备，通过软硬件的结合以实现对排气二维温度场的检测，获得排气温度分布情况，可用于燃气轮机的燃烧优化、故障诊断以及控制策略分析。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，一种燃气轮机排气二维温度场测量系统，包括工控机1，激光控制模块2、3，激光光源4、5，光纤合束器6，转台驱动模块7，激光发射及接收装置8、9，燃气轮机排气管10，镀膜反射镜11、12，信号采集模块13。所述工控机1连接激光控制模块2、3信号采集模块13，用于驱动激光控制板以及对采集到的信号进行处理；所述转台驱动模块7用于控制转台高速转动；所述激光发射及接收装置8、9固定在高速转台，并与镀膜反射镜11、12分设于燃气轮机排气管10两侧。