СИСТЕМА КОНТРОЛЯ УЗЛОВ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ И СПОСОБ ЕЕ РАБОТЫ Российский патент 2009 года по МПК F02C9/00 

Настоящее изобретение относится к системе контроля узлов газовой турбины, в частности, для оценки ухудшения рабочих характеристик узлов, таких как аксиальный компрессор и турбина 5.

Газовые турбины представляют собой машины, состоящие из компрессора и турбины с одной или несколькими фазами, причем указанные узлы соединены друг с другом посредством вращающегося вала 11, а между компрессором 10 и газовой турбиной имеется камера 12 сгорания.

В компрессор подается воздух, который засасывается снаружи из окружающей среды через фильтр 13, для повышения давления.

Разработка систем контроля позволила этим машинам стать более эффективными, настолько, насколько это возможно, путем создания систем, которые способны к определению и контролю рабочих характеристик указанных машин и, в конечном счете, к контролю их функционирования.

Оценка рабочих характеристик обычно осуществляется путем сравнения регистрируемых рабочих характеристик с теоретическими рабочими характеристиками.

Эта оценка легко может осуществляться для турбин, функционирующих при постоянной нагрузке, для которых легко определяются теоретические рабочие характеристики.

Недостатком современных систем контроля является то, что в случае регулирования частоты, например, количества оборотов в секунду в турбине 5 и компрессоре 10, сложно определить теоретические значения рабочих характеристик для каждого возможного условия функционирования.

Известна система автоматического регулирования параметров газотурбинного двигателя (см., например, US 2003/014219 от 16.01.2003 г.), содержащая каналы ограничения частоты вращения роторов низкого и высокого давления и температуры газов за турбиной низкого давления, каждый из которых состоит из измерителя регулируемой величины и основного формирователя закона ограничения, при этом выход измерителя регулируемой величины в каждом канале ограничения соединен с первым входом основного формирователя закона ограничения, второй вход которого соединен с выходом измерителя температуры воздуха на входе двигателя. Имеется также селектор минимального расхода топлива, выход которого соединен с входом устройства управления исполнительным механизмом. В каждый канал ограничения введены контрольный формирователь закона ограничения, блок контроля канала и ключ. Кроме этого система дополнительно снабжена задающим устройством режимов, программным блоком, блоком формирования сигнала отказа, блоком контроля устройства управления расходом топлива и исполнительного механизма, ключом и пороговым элементом, при этом первые входы контрольных и основных формирователей законов ограничения и первые входы блоков контроля канала соединены с выходами соответствующих измерителей регулируемой величины, вторые входы - с выходом измерителя температуры воздуха и входом порогового элемента, выходы основного и контрольного формирователей законов ограничения соединены соответственно с вторым и третьим входами блока контроля канала, выходы которых соединены соответственно с управляющими входами ключей, рабочие входы которых соединены соответственно с выходами основных формирователей закона ограничения, а выходы - с соответствующими входами селектора минимального расхода топлива. При этом выходы блоков контроля каналов соответственно соединены также с входами блока задания режимов и с первым, вторым и третьим входами блока формирования сигнала отказа, четвертый вход которого соединен с выходом порогового элемента, а пятый - с выходом блока контроля устройства управления расходом топлива, первый вход которого соединен с выходом селектора минимального расхода топлива и с входом устройства управления исполнительным механизмом, а второй - с выходом исполнительного механизма, выход устройства управления исполнительным механизмом соединен с рабочим входом дополнительного ключа, выход которого соединен с исполнительным механизмом, а управляющий вход - с выходом блока формирования сигнала отказа. Кроме того, выход блока задания режимов соединен с входом программного блока, выходы которого соединены с соответствующими входами основных и контрольных формирователей законов ограничения, а также с четвертым входом блоков контроля в каждом канале ограничения.

Для конкретных применений турбины, например, когда турбина функционирует как "механический привод", т.е. когда не заложенные в проект условия функционирования являются преобладающими и когда регулирование газовой турбины осуществляется часто, исключительно трудно определить теоретические значения рабочих характеристик и, как следствие, надежно оценить ухудшение рабочих характеристик узлов.

В настоящем изобретении не заложенные в проект условия относятся к условиям функционирования, при этом невозможно априори вычислить теоретические рабочие характеристики газовой турбины 1, поскольку она изготовлена из узлов, таких как компрессор и турбина, которые взаимодействуют друг с другом, и по этой причине невозможно определить общую полезную мощность газовой турбины и связанные с ней рабочие характеристики без осуществления подробного термодинамического анализа.

Задачей настоящего изобретения является создание простой и экономичной системы контроля узлов газовой турбины.

Другой задачей является создание системы контроля узлов газовой турбины, которая может осуществлять надежную оценку ухудшения рабочих характеристик узлов газовой турбины, подвергающихся не заложенным в проект условиям функционирования и регулированию частоты.

В соответствии с настоящим изобретением поставленная задача решена путем создания системы контроля узлов газовой турбины, которая может осуществляться посредством определения тенденции рабочих характеристик во времени, полученных путем сбора функциональных параметров за некоторый период времени, и сравнения рабочих характеристик, имеющих одинаковые параметры или сходные параметры.

Согласно одному из аспектов настоящего изобретения предложена система контроля узлов газовой турбины 1, содержащая

устройство 3 сбора сигналов, пропорциональных параметрам функционирования, характеризующим функциональное состояние газовой турбины 1,

первый блок 4 электронной обработки, содержащий первую базу данных,

второй блок 6 электронной обработки,

устройство передачи данных, осуществляющее электронный перенос данных из первой базы данных во второй блок 6 электронной обработки,

программу контроля, связанную со вторым блоком 6 электронной обработки, содержащую библиотеку алгоритмов, которая позволяет определить рабочие характеристики газовой турбины 1 и ее узлов путем сравнения данных, получаемых из последующих данных регистрации параметров функционирования,

устройство отображения, связанное со вторым блоком 6 электронной обработки, и позволяющее получить оценку функционирования программы контроля посредством графического интерфейса.

Дополнительные характеристики настоящего изобретения описываются в формуле изобретения.

Характеристики и преимущества системы контроля узлов газовых турбин в соответствии с настоящим изобретением поясняются нижеследующим описанием со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 изображает схему газовой турбины согласно изобретению;

фиг.2 изображает схему системы контроля согласно изобретению.

Система контроля узлов газовой турбина 1 (фиг.1) позволяет осуществлять контроль изменения рабочих характеристик узлов газовой турбины 1, в частности, аксиального компрессора 10 и соединенной с ним турбины 5.

Система контроля в соответствии с настоящим изобретением решает проблему вычисления теоретических рабочих характеристик путем сравнения данных по рабочим характеристикам газовой турбины 1, периодически регистрируемым в течение некоторого периода времени.

Она позволяет фактически выполнить диагностику, что связано с износом узлов газовой турбины 1, с последующей возможностью предсказания операций обслуживания или замены изношенных узлов и необязательных операций контроля функционирования турбины в целом.

Это обеспечивает более высокий уровень безопасности, поскольку предотвращает неожиданные перерывы в функционировании, связанные с неожиданными отказами, и позволяет программировать своевременные проверки и регулировкии.

Система контроля (фиг.2) содержит устройство 3 сбора сигналов, пропорциональных параметрам функционирования, характеризующим функциональное состояние газовой турбины 1, таких как развиваемая мощность, скорость, коэффициент сжатия компрессора, число оборотов в секунду, коэффициент расширения турбины 5 и число оборотов в секунду турбины 5.

Система содержит первый блок 4 электронной обработки, способный запоминать данные, соответствующие указанным сигналам, в первой базе данных, а также содержит устройство передачи данных, осуществляющее электронный перенос данных из первой базы данных во второй блок 6 электронной обработки, предпочтительно посредством модемов, спутниковых систем, сети Интернет и эквивалентных систем.

Второй блок 6 электронной обработки сохраняет в памяти данные первой базы данных во второй базе данных.

Он также осуществляет классификацию данных в соответствии с критерием подобия, в частности данные классифицируются на основе сходных функциональных состояний, для выявления диагностических тенденций, которые указывают на износ узлов газовой турбины 1.

Буквенно-цифровая последовательность ассоциируется посредством второго блока 6 электронной обработки с каждым получением данных, идентифицируемым по моменту времени и относительному номеру машины, что позволяет определить оперативное состояние функционирования газовой турбины 1 и ее узлов.

Буквенно-цифровая последовательность позволяет классифицировать функциональные данные газовой турбины 1 на основе стабильности машины, связанные с изменениями параметров, таких как развиваемая мощность, на основе значений безразмерных параметров, которые идентифицируют функциональную точку узлов на кривых относительных характеристик функционирования.

Буквенно-цифровая последовательность определяется следующим образом: М m Z1Z2 Z3Z4.

Она содержит идентификационный код состояния машины, который может быть разделен на три главных блока, каждый из которых имеет классификацию информации.

Первый блок содержит макросостояние "М", которое идентифицирует рабочее состояние машины.

Этот параметр сначала позволяет отделить стационарные функциональные состояния от функциональных состояний, при которых характерные сигналы машины изменяются, как происходит, например, во время регулировки или переходных режимах машины при включении или выключении или при внезапной остановке.

Первый блок также содержит микросостояние "m", которое в случае стационарных функциональных состояний идентифицирует ряд пригодных для работы диапазонов изменений температуры.

В случае нестационарных состояний, с другой стороны, микросостояние "m" позволяет более подробно определить переходное состояние.

Второй блок содержит параметры "Z1" и "Z2", которые позволяют классифицировать получаемые данные на основе функционирования компрессора.

Параметры "Z1" и "Z2" идентифицируют диапазон значений коэффициента сжатия и пригодное для работы число оборотов в секунду компрессора соответственно.

Третий блок содержит параметры "Z3" и "Z4", которые позволяют классифицировать получаемые данные на основе функционирования газовой турбины 1.

Параметры "Z3" и "Z4" идентифицируют диапазон значений коэффициента расширения и пригодное для работы число оборотов в секунду турбины 5 соответственно.

Система контроля согласно изобретению содержит библиотеку алгоритмов, которая позволяет определить рабочие характеристики газовой турбины 1 и ее узлов.

Система контроля также содержит устройство отображения, связанное со вторым блоком 6 электронной обработки, позволяющее получить оценку функционирования указанной программы контроля посредством графического интерфейса.

Она также позволяет определить тенденции рабочих характеристик, используя аналогичные данные предварительно полученные и сохраненные в памяти во втором блоке 6 электронной обработки, и затем износ самих узлов.

Для выявления износа аксиального компрессора программа контроля использует все данные, полученные ранее, относящиеся к стационарному функционированию компрессора, где компрессор развивает определенный коэффициент сжатия и работает при заданном числе оборотов в секунду.

Таким образом, сходные полученные данные сравниваются, то есть идентифицируются в одном и том же рабочем состоянии, в котором мощность остается примерно постоянной или изменяется из-за износа узлов.

Более того, когда достигаются критические значения рабочих характеристик, система контроля индицирует отклонение условия функционирования газовой турбины 1 путем подачи сигнала тревоги.

Кроме того, указанное устройство 3 сбора сигналов содержит также по меньшей мере один сенсор для индицирования по меньшей мере одного сигнала, пропорционального параметру функционирования, характеризующему функциональное состояние газовой турбины 1.

Согласно еще одному аспекту изобретение относится к способу контроля и оценки износа узлов газовой турбины 1, который включает следующие операции:

указание множества сигналов, соответствующих параметрам, относящимся к состоянию функционирования газовой турбины 1 и ее углов,

запоминание множества сигналов в первой базе данных посредством первого блока 4 электронной обработки,

направление сигналов во второй блок 6 электронной обработки и сохранение их во второй базе данных,

сопоставление буквенно-цифровой последовательности с данными, находящимися во второй базе данных, которая классифицирует указанные данные на основе критерия подобия,

определение тенденции рабочих характеристик путем сравнения данных от последовательных регистраций, имеющих одну и ту же классификацию,

регулирование параметров функционирования газовой турбины 1 на основе полученной тенденции рабочих характеристик.

Система контроля узлов газовой турбины содержит устройство сбора сигналов, пропорциональных параметрам функционирования, характеризующим функциональное состояние газовой турбины, первый блок электронной обработки, содержащий первую базу данных, второй блок электронной обработки, устройство передачи данных, осуществляющее электронный перенос данных из первой базы данных во второй блок электронной обработки. Система содержит также программу контроля, связанную со вторым блоком электронной обработки, содержащую библиотеку алгоритмов, которая позволяет определить рабочие характеристики газовой турбины и ее узлов путем сравнения данных, получаемых из последующих данных параметров функционирования, устройство отображения, связанное со вторым блоком электронной обработки, позволяющее получить оценку функционирования программы контроля посредством графического интерфейса. Такие способ и устройство позволят осуществлять надежную оценку ухудшения рабочих характеристик узлов газовой турбины, подвергающихся не заложенным в проект условиям функционирования и регулирования частоты. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система контроля узлов газовой турбины (1), содержащая устройство (3) сбора сигналов, пропорциональных параметрам функционирования, характеризующим функциональное состояние газовой турбины (1),
первый блок (4) электронной обработки, содержащий первую базу данных, второй блок (6) электронной обработки, который осуществляет классификацию данных в соответствии с критерием подобия, в частности данные классифицируются на основе сходных функциональных состояний, устройство передачи данных, осуществляющее электронный перенос данных из первой базы данных во второй блок (6) электронной обработки, программу контроля, связанную со вторым блоком (6) электронной обработки, содержащую библиотеку алгоритмов, которая позволяет определить рабочие характеристики газовой турбины (1) и ее узлов путем сравнения данных, получаемых из последующих данных параметров функционирования,
устройство отображения, связанное со вторым блоком (6) электронной обработки, позволяющее получить оценку функционирования программы контроля посредством графического интерфейса.

2. Система контроля узлов газовой турбины (1) по п.1, отличающаяся тем, что устройство (3) сбора сигналов содержит, по меньшей мере, один сенсор для детектирования, по меньшей мере, одного сигнала, пропорционального параметру функционирования, характеризующему состояние функционирования газовой турбины (1).

3. Система контроля узлов газовой турбины (1) по п.1, отличающаяся тем, что устройство передачи данных предназначено для электронной пересылки данных из первой базы данных посредством модемов, спутниковых сетей, сети Интернет или эквивалентных систем.

4. Способ контроля и оценки износа узлов газовой турбины, заключающийся в том, что
определяют множество сигналов, соответствующих параметрам, относящимся к состоянию функционирования газовой турбины 1 и ее узлов,
запоминают множество сигналов в первой базе данных посредством первого блока 4 электронной обработки,
направляют сигналы во второй блок 6 электронной обработки и сохраняют их во второй базе данных,
сопоставляют буквенно-цифровую последовательность с данными, находящимися во второй базе данных, которая классифицирует указанные данные на основе критерия подобия,
определяют тенденции рабочих характеристик путем сравнения данных от последовательных регистраций, имеющих одну и ту же классификацию, регулируют параметры функционирования газовой турбины 1 на основе полученной тенденции рабочих характеристик.