燃气轮机系统的温度监测系统及其测温原理

燃气轮机系统的温度监测系统及其测温原理
摘要：首先介绍了燃气轮机系统的组成以及工作原理，简要分析了监测燃气轮机系统温度对燃气轮机稳定运行的意义，介绍了燃气轮机系统温度测点的分布以及其测温仪器和测温原理。

关键词：燃气轮机系统温度测量温度传感器
1燃气轮机系统简介
燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。

燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气涡轮等组成。

对于一台燃气轮机来说，除了主要部件外还必须有完善的调节保安系统，此外还需要配备良好的附属系统和设备，包括：起动装置、燃料系统、润滑系统、空气滤清器、进气和排气消声器等。

燃气轮机的工作过程是，压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气涡轮中膨胀作功，推动涡轮叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气的作功能力显著提高，因而燃气涡轮在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。

燃气轮机由静止起动时，需用起动机带着旋转，待加速到能独立运行后，起动机才脱开。

２燃气轮机中温度监测的意义
燃气初温和压气机的压缩比，是影响燃气轮机效率的两个主要因素。

提高燃气初温，可使燃气轮机效率显著提高。

燃烧室和涡轮不仅工作温度高，而且还承受燃气轮机在起动和停机时，因温度剧烈变化引起的热冲击，工作条件恶劣，故它们是决定燃气轮机寿命的关键部件。

燃气轮机的透平叶轮和叶片在高温、高速下工作, 它们不仅承受高温, 而且还承受巨大离心应力。

叶片、叶轮的材料强度随着温度的上升显著降低, 对于燃气轮机来说, 这些受热零部件的强度余量本来就不大, 所在在运行中必须使透平进气温度限制在一定范围内。

否则, 将会使透平受热部件的寿命大大降低, 甚至就会引起透平叶片烧毁、断裂等严重事故。

因此为确保有足够的寿命，必须对燃烧室和涡轮的温度进行准确的监测，确保其温度处于安全范围内。

另外，燃气轮机润滑油系统是任何一台燃气轮机必备的一个重要的辅助系统。

它的作用是在机组启动、正常运行以及停机过程中，向正在运行的燃气轮机发电机组的各个轴承、传动装置及其附属设备，供应数量充足的、温度和压力合适的、干净的润滑油，以确保机组安全可靠地运行，防止发生轴承烧毁、转子轴颈过热弯曲、高速齿轮法兰变形等事故。

因此输入润滑油的温度也是需要监测的一个重要温度。

３监测位置温度的测量原理和手段3.1 涡轮叶片温度测量系统
国际上普遍采用涡轮叶片辐射式光纤
高温计测量燃气轮机涡轮叶片表面温度。

涡轮叶片辐射式光纤高温计是基于普朗克黑
体辐射测温原理，利用光纤将高温叶片发出的光信号传输到燃气轮机外部，从而降低燃气轮机内部复杂环境对测温精度的影响。

其中主要采用比色式测温原理测量涡轮叶片
表面温度。

由维恩维恩定律：
M0（λ，T）=c1λ5e C2/λT
根据维恩定律，当温度发生变化时，被测物体的最大辐射出射度将向波长增大或波长
减小的方向移动，这一规律可由图１观察到。

当温度升高时，黑体最大辐射出射度向波长减小的方向移动，每个温度范围只有一个最大波长。

实际物体辐射能力不仅与温度有关，而且与
物体材料的辐射率ε有关。

其光谱辐射出射度为：
M(λ,T)=ε(λ,T)M
(λ,T)
代入上式得：
M(λ,T)=ε(λ,T) c
1
λ5e C2/λT
式中，M(λ,T)波长λ下单位面积实际物体在半球方向、单位时间内的辐射通量即光谱辐射出射度。

ε(λ,T)表示实际物体在波长为λ下的光谱辐射率，辐射率ε=1的物体为黑体，ε<1的物体为灰体。

辐射率ε与物体的材料、波长、温度以及表面状辐射方向有关，测量时很难确定物体的辐射率ε可以利用两个或者多个不同波长上辐射率相近或
者相互抵消的方法，使辐射率变化的影响降低到最小限度。

根据铁的辐射率经验公式：ε（λ）=0.755-0.971λ+0.932λ2-0.337λ3，可以得出光谱辐射率的ε与波长的关系如图所示：式中λ的单位为μm，由图可知，金属中相近波长辐射率变化并不大，说明抵消辐射率ε或者将其降到最低是可行的。

根据两个或更多特征波段上的辐射而测温，测得的是物体的色温度定义为Tc。

色温是指，当黑体温度为Tc时，在波长为λ1和λ2时，半波带宽为Δλ1和Δλ2内辐射亮度之比与被测物体在这2个
波段内辐射亮度相等。

辐射亮度可用辐射出射度代替表示为：
ελ1M（λ1，T）
ελ2M（λ2，T）
=M（λ1，T c）
M（λ2，T c）
式中：ελ1和ελ2为Δλ1和Δλ2波段内的平均光谱发射率，带入上式，可得Tc与T的关系式，得
1
T c
−
1
T
=
λ1λ2(lnελ1−lnελ2)
C2(λ1−λ2)
则色温度Tc与真实温度T的相对误差表示为：|
T−Tc
T
|=|
Tcλ1λ2(lnελ1−lnελ2)
C2(λ1−λ2)
|
由上式可知，当ελ1和ελ2相近时，色温
度Tc与真实温度T的相对误差可以近似为零，所以减少误差的关键在于波长的选取，适当选取λ1和λ2，使ελ1≈ελ2，同一物体在波长分别为λ1和λ2
下的光谱辐射出射
度的比值为
M（λ1，T）M（λ2，T）=
ε(λ1,T)c1λ5e C2/λT ε(λ2,T)c1λ5e C2/λT
对于实际物体，可近似得到：ε(λ,T)= ε(λ)ε(T)，上式整理后得到被测表面的温度T为：
T=
C2(
1
λ2−
1
λ1)
ln
M(λ1，T)ε(λ2,T)
M(λ2，T)ε(λ1,T)
−5ln
λ2
λ1
=
=
C2(
1
λ2−
1
λ1)
ln
M(λ1，T)ε(λ2)
M(λ2，T)ε(λ1)
−5ln
λ2
λ1
基于比色测温原理叶片温度测量系统如图所示，高温计主要由探头、Y型耦合器、滤光片、探测器和放大电路以及信号采集处理设备组成。

探头接收待测物辐射出的光信号，经过Y型耦合器将光信号分成2个分路传输，滤波片组件选出有效波长信号，送入光电探测器和放大器等信号处理系统中，完成信号处理以及温度显示输出。

3.2 透平进口温度测量系统
机组按基本负荷运行,即控制机组透平进口温度为设计值,由于燃机的发展,目前燃机透平进口温度已超过1 200 °C ,直接
对透平进口温度进行测量并实施控制还无
法实现。

现在普遍采用在一些较低温度区域,安装若干热电偶,测量该处的温度,并通过
该测量温度与燃机透平进口温度的关系,间接地控制燃机透平进口温度。

目前,普遍采用的是通过建立透平排气温度与透平进口
度的关系,在实际运行时通过测量燃机透平排气温度等参数,对透平进口温度进行控制。

排气温度的精确测量是准确控制透平进口
温度的关键,如排气温度测量不准,将影响
到透平进口温度的控制。

由排气温度控制的理论基础,即透平排气温度T4与透平进口温
度T3的关系,为保持进口温度T3不变,可以
通过维持相应的排气温度T4,而在不考虑其
他微小变化的情况下, 排气温度T4可以通过压气机排气压力来确定。

3.3 转子温度测量系统
利用蒸汽温度测量数据通过数学模型
得出汽轮机转子温度。

汽轮机转子温度系统主要有数字滤波及显示、信号处理、数据存储、温度报警等功能。

由于该监测系统的温度数据是计算温差得到的,其结果的正确性
依赖于监测模型的准确性。

汽轮机转子物理模型见图：
将汽轮机转子简化为有中心孔的无限长圆柱体,其数学模型及边界条件为:
式中: T 为转子温度; R 为转子任一点的半径;τ为时间; a 为热扩散率; T0为初始温度;α为蒸汽与转子表面间的换热系数; Ts 为与转子外表面接触的蒸汽温度; R1 、R2 分别为转子内、外径,λ为转子材料的导热系数。

根据数学模型,采用一维差分法得到克兰克- 尼科尔森差分:
式中: T′i 、T′i - 1 、T′i + 1 分别为下一时刻节点i、节点i -1 、节点i + 1 的温度值; Ti 、Ti - 1 、Ti + 1 分别为该时刻节点i、节点i - 1 、节点i + 1 的温度值;Δτ为间隔时间;Ri 为节点i 处的半径;ΔR 为分层厚度。

将得到的差分方程采用公式节点在LabVIEW 中进行运算得出转子温度。

4 结语
燃气轮机系统中温度控制系统对于实
现燃气轮机的稳定安全运行至关重要，除此之外，要提高燃气轮机的效率也和温度的控制有很大的联系。

随着科学技术的发展与进步，测量温度的手段也趋于多样化，测量精度逐渐提高，最终使得燃气轮机的效率会得到显著的提高。

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