一种基于FPGA的燃气轮机透平前温采集系统的制作方法

一种基于fpga的燃气轮机透平前温采集系统
技术领域
1.本实用新型涉及重型燃气轮机运行监控领域，尤其是涉及一种基于fpga的燃气轮机透平前温采集系统。


背景技术：

2.重型燃气轮机是一种高效洁净的大功率发电设备，燃气轮机及其联合循环机组广泛应用于天然气发电或者热电联供，燃气轮机主要由压气机、燃烧室、透平三大部件构成，压气机从环境中吸入空气，对空气加压以后形成高压空气，高压空气送入燃烧室，与燃料燃烧反应生成高温高压燃气，高温高压燃气在透平中膨胀做功，燃气温度和压力降低后排出。
3.透平作为燃气轮机的三大组成部分之一，更是决定着燃气轮机是否高效，安全的运行，若燃气轮机组出现故障或失效情况，导致意外停机，将给生产经营带来影响、造成经济损失，甚至是人员伤亡，基于燃气轮机对国家战略的重大意义，伴随着燃气轮机的大力发展，使得现代重型燃气轮机透平前温达到了很高的温度，据统计，现代重型燃气轮机透平前温已经达到了1600℃以上，因此燃气轮机透平前温已经难以测量，如果透平前温不能实现实时测量，那么对涡轮叶片的损伤也是极大的，从而引起燃气轮机的停机造成更大的经济损失，鉴于对燃气轮机透平温度测量的重要性，本发明可以对燃气轮机的透平前温实现实时监测，对燃气轮机的机组的安全性提供一定保障。
4.在专利号为201720904927.7的中国专利“一种重型燃气轮机透平效率在线监测系统装置，”中，已经提到了有关燃气轮机透平前温的采集方法，但是其只能进行现场的采集，却不能进行远程采集，并且不能与厂用dcs系统相连，所以其专利设计的装置具有一定的局限性。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于fpga的燃气轮机透平前温采集系统。
6.本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种基于fpga的燃气轮机透平前温采集系统，该系统包括：
8.压气机空气测量组件：包括安装在压气机入口处用以测量入口处空气组分的压气机空气参数测量装置以及安装在压气机出口处用以测量出口处空气的温度和压力数据的压气机出口参数测量装置；
9.燃烧室燃料气参数测量装置：安装在燃烧室的总管路上，用以测量燃料气的组分、热值、温度和压力数据；
10.透平排气测量装置：安装在透平的排气口处，用以测量燃气轮机排气的氧浓度数据；
11.fpga数据处理模块：分别通过a/d转换单元将压气机空气参数测量装置、压气机出口参数测量装置、燃烧室燃料气参数测量装置和透平排气测量装置采集到的数据转换为数
字信号后与厂用dcs系统的上位机通信；
12.上位机：与fpga数据处理模块通过数据接口通信，用以实现对燃气轮机透平前温的实时监测以及日常数据上传备份。
13.所述的压气机空气参数测量装置为gt2000型气体分析仪。
14.所述的压气机出口参数测量装置包括压气机温度传感器和压气机压力传感器。
15.所述的压气机温度传感器为wrn
‑
130型温度检测探头，所述的压气机压力传感器为fd
‑
2088型智能数显压力计。
16.所述的燃烧室燃料气参数测量装置包括热量计、燃烧室温度传感器、燃烧室压力传感器和燃烧室空气参数测量装置。
17.所述的燃烧室温度传感器为wrn
‑
130型温度检测探头，所述的燃烧室压力传感器为压力表，所述的燃烧室空气参数测量装置为gt2000型气体分析仪。
18.所述的透平排气测量装置为gt2000型气体分析仪。
19.所述的fpga数据处理模块外接有片外存储器mt47h64m8，用以扩展fpga的储存资源。
20.所述的fpga数据处理模块通过pcie接口与上位机通信。
21.所述的a/d转换单元的型号为5g14433。
22.与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
23.一、快速可靠：由于fpga本身具有可靠性高，功能强大的特点，在外接一个mt47h64m8存储器，就可以扩大存储资源，实现对数据的快速分析。
24.二、实现数据的存储和实时监测：fpga通过pcie接口与上位机的连接，实现了对透平前温的数据储存，并且可以通过上位机对透平前温进行实时监测，对燃气轮机机组的运行具有一定的保护意义。
25.三、传输稳定：所选用的pcie接口相较于其它接口而言，具有传输稳定，传输效率高的优点。
26.四、准确性高：通过测量排气氧浓度和燃料参数获得透平排气流量，避免了直接测量透平排气流量准确度低的问题。
附图说明
27.图1为本实用新型的结构简化示意图。
28.图2为硬件总体结构设计图。
29.其中：1、压气机，2、燃烧室，3、透平，4、压气机空气参数测量装置，5、压气机出口参数测量装置，6、燃烧室燃料气参数测量装置，7、透平排气测量装置，8、fpga集成模块。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。
31.实施例：
32.如图1和2所示，本实用新型提供一种基于fpga的燃气轮机透平前温采集系统，该系统包括压气机1、燃烧室2、透平3、空气参数测量装置4、压气机出口参数测量装置5、燃烧室燃料气参数测量装置6、透平排气测量装置7和fpga数据处理模块8，具体结构为：
33.压气机空气参数测量装置4安装在压气机1的入口，压气机出口参数测量装置5安装在压气机1的出口，燃烧室燃料气参数测量装置6安装在燃烧室的总管路上，透平排气测量装置7安装在透平的排气口，空气参数测量装置4、压气机出口参数测量装置5、燃烧室燃料气参数测量装置6、透平排气测量装置7均通过a/d转换器将电信号转换为数字信号送入fpga数据处理模块8，fpga数据处理模块8再通过pcie接口送入上位机，从而实现对燃气轮机透平前温的数据监测以及日常储存。
34.在本例中，压气机空气参数测量装置4采用gt2000型气体分析仪，气机出口参数测量装置5包括温度传感器和压力传感器，其中，温度传感器采用wrn
‑
130型温度检测探头，压力传感器采用fd
‑
2088型智能数显压力计。
35.燃烧室燃料气参数测量装置6包括热量计、温度传感器、压力传感器和燃烧室空气参数测量装置，其中，温度传感器采用wrn
‑
130型温度检测探头，压力传感器采用fd
‑
2088型智能数显压力计，燃烧室空气参数测量装置采用gt2000型气体分析仪。
36.透平排气测量装置7也采用gt2000型气体分析仪。
37.fpga数据处理模块8外接一个片外存储器mt47h64m8来扩展fpga的储存资源，并且采用pcie接口实现fpga数据处理模块8与上位机的通信连接，进而实现了对透平温度的实时监测和储存，便于以后查看系统运行数据并进行事故分析。
38.该系统的工作原理如下：
39.在空气进入压气机1之前，通过压气机空气参数测量装置4测量获得空气组分，然后压气机1通过把空气加压进入燃烧室，在压气机1的出口通过压气机出口参数测量装置5获得空气的温度和压力，在燃烧室部分通过燃料气参数测量装置6获得燃料气的组分、热值、温度和压力；高压的燃气进入透平后，通过透平的膨胀做功，燃气经过透平排出，在透平尾部通过透平排气测量装置7获得燃气轮机排气的氧浓度。
40.传感器所输出的电信号传输给a/d转换单元(本例中采用的型号为5g14433)，转换成12位的数字信号，并通过spi总线传输给fpga，fpga中含有数据处理模块，在数据处理模块中，首先根据测量获得的空气组分和燃料组分，计算燃料以当量比完全燃烧时所需的理论空气量，然后根据透平的排气的氧浓度，计算实际空气量与刚才的理论空气量之比，也就是空气与燃料的流量之比，根据燃气轮机压气机出口温度和压力、空气与燃料的流量之比、燃料的热值和燃料的组分、温度、压力，执行物质能量平衡计算获得燃烧室当量出口温度，即透平的当量进口温度。
41.其中，a/d转换器是为了将传感器的模拟信号转换为数字信号，并且为了确保各路的采样的数字信号对应同一个时刻的传感器信号，每个传感器，气体组分检测仪采取独立的转换器来进行信号转换。
42.由于fpga的存储空间有限，因此外接一个片外存储芯片mt47h64m8来扩展储存资源。
43.fpga即使连接了片外存储芯片，其储存资源也是有限的，需要通过上位机的大容量存储来实现对温度数据的监测和保存，由于pcie接口传输稳定，传输速率高的特点，因此选取pcie接口与上位机相连，通信协议选取xillybus来实现fpga和主机端的交互连接。通过pcie接口与上位机主板连接，上位机的大容量硬盘储存可以保存较长时间内的运行数据，fpga也和厂用dcs系统相连，从而实现对燃气轮机透平前温的实时监测以及日常数据上
传备份。