Устройство и способ прогнозирования и оптимизации срока службы газовой турбины Российский патент 2017 года по МПК G05B23/02 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Раскрытые в данном описании варианты осуществления настоящего изобретения в общем касаются способов и систем и, более конкретно, относятся к механизмам и способам прогнозирования и оптимизации срока службы газовой турбины или ее компонентов.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1, которая аналогична фиг. 1 в публикации заявки на патент США №2008/0243352 (включенной в настоящее описание посредством ссылки), проиллюстрирован пример газовой турбины 10, имеющей компрессор 12, камеру 14 сгорания, турбину 16, соединенную с компрессором 12, и вычислительную систему 18 управления (контроллер). Входной патрубок 20 к компрессору 12 может подавать окружающий воздух в компрессор 12. Входной патрубок 20 может включать трубопроводы, фильтры, экраны и устройства снижения уровня шума, которые способствуют потере давления окружающего воздуха, текущего через входной патрубок 20 и во входной направляющий аппарат 21 (Inlet Guide Vanes, I.G.V.) компрессора 12. Выхлопной патрубок 22 для турбины направляет газообразные продукты сгорания из выходного отверстия турбины 10, например, через устройства контроля выбросов и снижения уровня шума. Турбина 10 может вращать генератор 24, который производит электроэнергию. Альтернативно, если турбина является двухвальным устройством (например, содержит турбину высокого давления и турбину низкого давления), турбина низкого давления, которая может вращаться со скоростью, отличающейся от скорости ротора высокого давления, может приводить в действие машину более общего типа, чем компрессор или даже генератор.

Работа газовой турбины 10 может контролироваться несколькими датчиками 26, предназначенными для измерения различных параметров (переменных), связанных с характеристиками турбины 10, генератора и окружающей среды. Например, группы резервированных температурных датчиков 26 могут контролировать температуру среды, окружающей газовую турбину 10, температуру на выходе компрессора, температуру выхлопного газа турбины и другие температурные измерения потока газа через газовую турбину 10. Точно так же группы резервированных датчиков 26 давления могут контролировать давление окружающей среды и уровни статического и динамического давления на входе компрессора и в выхлопном отверстии турбины, а также в других местах в потоке газа через газовую турбину 10. Группы резервированных датчиков 26 влажности, например влажных и сухих термометров, могут измерять влажность окружающей среды во входном патрубке компрессора 12. Группы резервированных датчиков 26 также могут содержать датчики расхода, датчики скорости, датчики контроля пламени, датчики положения клапана, датчики угла установки направляющей лопатки или аналогичные, которые считывают различные параметры, относящиеся к работе газовой турбины 10. Используемый здесь термин ʺпараметрыʺ относится к понятиям, которые могут использоваться для задания рабочих условий турбины, таких как температуры, давления и расходы газа в заданных местоположениях в турбине, но не ограничиваются ими.

Также система 28 регулирования расхода топлива регулирует топливо, текущее от точки подачи топлива к камере 14 сгорания, одно или более соотношений между топливом, текущим в основные и вспомогательные топливные форсунки, и количество топлива, смешиваемого с вторичным воздухом, текущим в камеру сгорания. Система 28 регулирования расхода топлива может также выбирать тип топлива для камеры сгорания. Система 28 регулирования расхода топлива может быть отдельным блоком или может быть компонентом главного контроллера 18. Контроллер 18 может быть вычислительной системой, имеющей по меньшей мере один процессор, который выполняет программы и операции для управления работой газовой турбины с использованием входных данных датчиков и команд от операторов. Команды, генерируемые контроллером 18, могут инициировать приводы в газовой турбине, например, для регулирования клапанов (привод 27) между точкой подачи топлива и камерами сгорания, которые регулируют расход, соотношения компонентов топлива и тип топлива, текущего к камерам сгорания; для регулирования входного направляющего аппарата 21 (привода 29) в компрессоре; для регулирования теплоты отбора на входе; а также активирования других параметров настройки управления в газовой турбине.

Турбины могут иметь широкое применение при разработке месторождений нефти и газа. Это означает, что они могут вращать компрессоры на трубопроводах, также они могут вращать компрессоры для выкачивания нефти или природного газа из скважин. Важной критичной для качества (critical to quality, CTQ) характеристикой для нефтяных и газовых компаний является готовность их установок к работе с максимизированием производительности. Чтобы минимизировать нарушение или прекращение работы установки, основные детали установки, такие как газовая турбина, в идеале заменяются/ремонтируются только тогда, когда вероятность их отказа оказывает существенное влияние на надежность установки. Другой важной характеристикой CTQ является стоимость технического обслуживания, которая должна быть минимизирована всегда, когда это возможно.

Для улучшения этих и других характеристик CTQ различные организации проявили инициативы по продлению срока службы, такие как техническое обслуживание с учетом состояния оборудования (condition based maintenance, СВМ) и управление сроком службы ротора (rotor life management, RLM). Некоторые способы полагаются исключительно на контроль с использованием оптических средств для измерения длин трещин, чтобы получить статистическое распределение длин трещин. Это статистическое распределение используется для оценки срока службы оборудования. Другая технология включает проверку компонента на наличие повреждений или ухудшений (например, микротрещин), формирование структурной модели устройства, установку режима будущего использования для устройства и моделирование дальнейшего развития повреждения или ухудшения. Другой подход заключается в оценке повреждения при ползучести посредством выражения, включая выражение Ларсона-Миллера, и последующего выполнения статистического анализа (например, статистический анализ по Вейбуллу) для оценки будущего повреждения при ползучести. Здесь параметр оценки на основании подсчета пусков оборудования и тепловых напряжений рассчитывается на основании статистической модели. Другой подход заключается в определении зависимости между температурой металла компонента турбины и условий эксплуатации турбины, содержащей в себе этот компонент. Этот подход использует тепловую модель компонента и историю эксплуатации турбины для прогнозирования текущей или будущей рабочей температуры компонента.

Однако традиционные способы и системы для продления срока службы установки и турбины требуют остановки установки для проверки, чтобы собрать данные (например, длины трещин), и вообще не применимы для компонентов, которые не демонстрируют очевидного разрушения. Соответственно, было бы желательно предложить системы и способы, которые устраняют вышеописанные проблемы и недостатки.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Аспекты изобретения касаются систем и способов прогнозирования и оптимизации срока службы компонентов газовой турбины (например, роторов), особенно компонентов, не демонстрирующих очевидное повреждение, и для которых предполагается длительный срок службы, но которые из-за высоких термомеханических нагрузок могут давать трещину и быстро приводить к выходу из строя механизма, что может ставить под угрозу надежность установки.

Согласно примеру осуществления предлагается способ определения предполагаемого остаточного срока службы ротора газовой турбины с использованием компьютера. Способ включает прием в компьютере условий эксплуатации газовой турбины; прием результатов проверки ротора газовой турбины; обновление, на основании условий эксплуатации газовой турбины и результатов проверки ротора газовой турбины, базы данных для парка турбин, соответствующего данной газовой турбине; и вычисление предполагаемого остаточного срока службы ротора газовой турбины.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Прилагаемые чертежи, которые включены в настоящее описание и представляют собой его часть, иллюстрируют один или более вариантов осуществления настоящего изобретения и совместно с описанием объясняют эти варианты осуществления. На чертежах:

фиг. 1 иллюстрирует пример газовой турбины;

фиг. 2 иллюстрирует четыре концепции, лежащие в основе варианта осуществления изобретения;

фиг. 3 иллюстрирует аналитические этапы, связанные с вариантом осуществления изобретения;

фиг.4 иллюстрирует способ прогнозирования срока службы компонента согласно варианту осуществления изобретения;

фиг. 5 иллюстрирует другой способ прогнозирования срока службы компонента газовой турбины согласно примеру осуществления; и

фиг. 6 иллюстрирует устройство, конфигурированное для осуществления рассматриваемого в настоящем описании способа.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Следующее описание примеров осуществления относится к прилагаемым чертежам. Одинаковые номера позиций на разных чертежах идентифицируют одинаковые или аналогичные элементы. Следующее подробное описание не ограничивает настоящее изобретение. Вместо этого объем изобретения задается прилагаемой формулой изобретения. Следующие варианты осуществления настоящего изобретения рассматриваются, для простоты, с использованием терминологии и структуры газовой турбины, в частности, ротора. Однако варианты осуществления изобретения, которые будут рассмотрены ниже, не ограничены этими системами, но могут быть применены к другим системам.

Ссылки во всем описании на ʺодин вариант осуществления изобретенияʺ или ʺвариант осуществления изобретенияʺ означают, что конкретный признак, структура или характеристика, описанная в связи с вариантом осуществления изобретения, включена по меньшей мере в один вариант осуществления раскрываемого изобретения. Таким образом, появление фраз ʺв одном варианте осуществления изобретенияʺ или ʺв варианте осуществления изобретенияʺ в различных местах описания не обязательно относится к одному и тому же варианту осуществления изобретения. Кроме того, конкретные признаки, структуры или характеристики могут комбинироваться любым подходящим способом в одном или более вариантах осуществления изобретения.

Газовые турбины требуют периодических проверок, чтобы гарантировать минимизацию эксплуатационных рисков и угроз безопасности. Параметры технического обслуживания для роторов включают как запуски, так и часы эксплуатации. Эти проверки оценивают состояние исправности ротора клиента путем сбора и использования подходящей информации, включающей: эксплуатационные переменные (время, цикл и температуру в модели, чтобы оценить их влияние на малоцикловую усталость и ползучесть); историю материала (включая модели условий эксплуатации, рабочий цикл и практику обслуживания); состояние субкомпонентов (определяемое путем тщательного исследования субкомпонентов на повреждение и пригодность). С помощью этой информации можно сделать основанные на информации рекомендации для продления срока службы или демонтажа ротора. Когда обоснована замена, новый процесс может обеспечить рекомендации относительно возможности замены без изменений или установки нового ротора.

Как показано на фиг. 2, согласно одному варианту осуществления изобретения предложен способ прогнозирования срока службы компонента с большей точностью, чем точность, обеспечиваемая традиционными системами и способами. Этот способ может быть реализован в устройстве 20 прогнозирования, которое позже будет рассмотрено более подробно. Способ основан на четырех концепциях: моделей на основе физических процессов для прогнозирования вероятностного срока службы одного или более компонентов газовой турбины (21), результатах тщательной проверки компонентов (22), результатах оценки истории срока службы машины, которой принадлежит деталь (23); и результатах разрушающих испытаний на некоторых деталях (24). Эти четыре концепции могут быть объединены в способе, включающем множество этапов, которые рассмотрены ниже.

В одном варианте осуществления изобретения имеется 6 этапов, как показано на фиг.3. Хотя описываются 6 этапов, специалистам в данной области техники будет очевидно, что некоторые этапы могут быть пропущены, а другие могут быть добавлены. Также, хотя на фиг.3 показаны выполняемые последовательно, с 1 по 6 этапы, возможна обратная связь между этапами, как рассмотрено ниже.

На фиг. 3 численные/аналитические модели этапа 1 (31) дают исходные данные для различных функций преобразования этапа 2 (32). Результаты функций преобразования дают исходные данные для различных вероятностных исследований (33) этапа 3. Результаты вероятностных исследований могут использоваться вместе с результатами разрушающих испытаний этапа 4 (34) для прогнозирования срока службы данного компонента. Далее, история эксплуатации компонента и неразрушающей проверки, показанные на этапе 5 (35), могут также использоваться при прогнозировании срока службы данного компонента. Результаты каждого из первых 5 этапов могут быть объединены в прогноз продления срока службы этапа 6 (36). Ниже описываются подробности каждого из этих 6 этапов. Также, хотя разрушающие испытания (34) полезны для процесса, эти разрушающие испытания обычно выполняются только однажды, чтобы характеризовать материал, используемый в роторе, после многих часов эксплуатации. Напротив, неразрушающие испытания (проверки) могут выполняться каждый раз, когда выполняется техническое обслуживание ротора, для которого ожидается продление срока службы.

Этап 1 варианта осуществления изобретения включает создание численных/аналитических моделей, которые способны предсказывать, например, а) расход, давление и температуру магистральных и вторичных потоков машины; b) коэффициенты теплопередачи между потоками и роторами; с) температуры металла ротора; и d) смещения, деформации и напряжения ротора. В одном варианте осуществления изобретения модели ориентированы на ʺидеальнуюʺ газовую турбину или компоненты, то есть, основаны исключительно на технических условиях на конструкцию и технологию, которые не учитывают опытные данные ʺреального мираʺ. В другом варианте осуществления изобретения одна или более моделей могут включать параметры ʺреального мираʺ. Одна или более из этих моделей могут быть заданы для конкретного типа газовой турбины, или могут быть обобщенными. Модели, так же как инструментальные средства прогнозирования, могут быть коммерчески доступны, или они могут быть разработаны своими силами.

Численные/аналитические модели предназначаются для использования последовательно или параллельно в зависимости от общего сценария или устройства, которое необходимо смоделировать. В одном варианте осуществления изобретения численные/аналитические модели будут использовать одну или более входных независимых переменных (vitalX) и будут давать на выходе зависимые переменные (например, температуры металла). Созданные модели могут храниться в библиотеке или наборе инструментальных средств модели для более позднего использования, например, в запоминающем устройстве. Эти модели используют в качестве входных данных независимые переменные и способны вычислять различные зависимые переменные, которые характеризуют газовую турбину. Примерами независимых переменных, vitalX, являются температура окружающей среды, скорость вращения ротора, температура горения, различные внутренние геометрические зазоры и другие характеристики, связанные с турбиной.

Этап 2 варианта осуществления изобретения включает: а) определение конкретного и соответствующего плана эксперимента (design of experiment, DOE); b) применение одной или более моделей, разработанных на этапе 1, к плану DOE, чтобы таким образом генерировать соответствующие зависимые переменные; и с) создание функций преобразования (transfer functions, TF) между с1) переменными срока службы [Z] (например, числом циклов до возникновения трещины при малоцикловой усталости (cycles-to-LCF, low cycle fatigue), часами до начала возникновения трещины при ползучести, часами/циклами развития трещины до разрушения и т.д.) и с2) независимыми переменными (vitalX) соответствующих моделей. Функции преобразования являются или известными в данной области техники, или новыми функциями, задаваемыми для этого процесса, или их комбинацией. Переменная срока службы в общем случае является переменной, представляющей концепцию технического обслуживания или касающейся срока службы компонента турбины или газовой турбины. Относительно функций TF возникновения трещины (LCF) предпочтительно имеется по меньшей мере одна функция TF для каждой отдельной детали, такая, которая позволяет делать замену только отдельной детали, которая находится в конце срока службы, или замену всего ротора, в зависимости от того, что более удобно для клиента. Предпочтительно будет по меньшей мере одна такая функция TF развития трещины для каждой поверхности, чтобы было возможно получать один или более показателей и уменьшать количество негодных деталей.

Этап 3 варианта осуществления изобретения включает: а) оценку/задание распределений жизненно важных переменных X (vitalX); b) выполнение одного или нескольких моделирований методом Монте-Карло для определения вероятностного ресурса парка турбин и/или опасность повреждения парка турбин; и с) выполнение одного или более моделирований методом Монте-Карло, чтобы установить, например, сигнализацию о превышении температуры в проточной части турбины (подтверждение или обновление существующей установки, при оценке сформировавшегося парка), чтобы минимизировать опасность повреждения. Парк, как понимается здесь, - это класс газовых турбин, которые имеют в общем одинаковый набор характеристик. Сигнализация о превышении температуры в проточной части является одним из возможных примеров возможных сигнализаций о неисправности, которые существуют в газовой турбине, и может быть понижена или увеличена на основании описанных здесь расчетов.

Ниже описывается распределение vitalX. Предположим, что различные газовые турбины из парка поставляются различным клиентам, находящимся повсюду в мире. Температура окружающей среды газовой турбины является одной из независимых переменных, то есть, vitalX. Однако температура окружающей среды в Дохе (Катар) отличается от температуры окружающей среды на Аляске. Таким образом, для заданной vitalX (Tamb) есть распределение температур для газовых турбин, которые составляют парк. Это распределение может быть, например, нормальным распределением (Гаусса) или иметь другую форму.

Если число точек данных для некоторой измеренной vitalX является достаточно большим, будет возможно разработать достаточно точную функцию распределения для vitalX. Затем могут быть применены фильтры (например, фильтры Калмана), чтобы настроить модели с помощью эксплуатационных данных (например, длины трещины). Однако если число точек данных для любой измеренной vitalX не является достаточно большим, эти фильтры могут не дать точные результаты. В этом случае техническое решение может использоваться для построения функции распределения ʺнаилучшего предположенияʺ для vitalX. В этом случае задается распределение.

Возвращаясь к сигнализации о превышении температуры в проточной части, следует отметить, что газовые турбины содержат компрессор, имеющий множество ступеней, которые создают сжатый воздушный поток, и турбину, имеющую ротор турбины, который вращает вал. Во время работы температуры в роторе турбины значительно повышаются. Охлаждение может обеспечиваться направлением воздуха с выпуска компрессора в проточную часть, которая простирается вокруг ротора турбины. Температура проточной части может поддерживаться на предельно допустимом значении для материала между температурой выпуска компрессора и температурой тракта горячего газа. Когда температура проточной части превышает предельно допустимое значение для материала, может звучать аварийный сигнал, чтобы указать на состояние превышения допустимой температуры. Когда предельно допустимое значение для материала превышено, турбомашина может быть остановлена и, после тщательной проверки и изучения, одно или более устройств могут быть применены для обеспечения дополнительного потока охлаждения. Различные факторы могут воздействовать на температуру воздуха выпуска компрессора. Например, когда возрастает температура приточного окружающего воздуха, повышается температура выпускного воздуха компрессора. Таким образом, желательна правильная установка аварийной сигнализации проточной части, и новый процесс, описанный в настоящем описании, способен выполнять подстройку этой сигнализации.

Предыдущие этапы (31-33) применимы как к прогнозированию полной срока службы устройства/компонента, так и к прогнозированию остаточного срока службы (то есть, оптимизации остаточного срока службы). Следующие этапы главным образом более применимы к прогнозу остаточного срока службы.

Этап 4 (34) варианта осуществления изобретения включает разрушающее лабораторное испытание статистического количества неисправных деталей (в середине или в конце их срока службы), чтобы подтвердить, является ли прочность материала все еще совместимой с ожиданиями проекта.

Этап 5 (35) варианта осуществления изобретения включает сбор данных и эксплуатацию базы данных исторических условий эксплуатации для каждого конкретного блока. Данные в базе данных могут включать а) результаты любых неразрушающих испытаний и b) проверки в течение срока службы компонента. Проверки могут включать один или более из следующих видов: контроль с помощью вихревых токов, контроль с помощью магнитных частиц, люминесцентный контроль и/или ультразвуковую дефектоскопию. Оптимально, такие испытания и проверки должны выполняться на 100% поверхностей детали. Представляет интерес выявление тех историй эксплуатации, которые могут указывать, что блок, возможно, использовался в более благоприятных условиях, чем были приняты, когда срок службы оценивался изготовителем.

Этап 6 варианта осуществления изобретения включает использование результатов предыдущих 5 этапов для оценки продления срока службы конкретной детали или устройства (то есть, оценки опасности выхода из строя, связанного с продлением срока службы компонента свыше начальной оценки конца срока службы изготовителем). Эта оценка может использовать статистику, охватывающую некоторые или все переменные vitalX, которые влияют на срок службы детали (например, условия эксплуатации, геометрические размеры, свойства материала). Чтобы упростить вычисления, число vitalX на этом этапе (так же как и на этапе 3) можно уменьшить (например, до менее чем 7 vitalX). Это уменьшение vitalX может быть облегчено созданием (на этапе 2) линейных функций TF, связанных с различными группами vitalX. Эти линейные функции TF могут использоваться для выбора из каждой группы vitalX той vitalX, которая больше всего влияет на соответствующую переменную срока службы.

Цель этапа 6 состоит в том, чтобы использовать данные предыдущих 5 этапов для прогнозирования, может ли компонент иметь более длительный срок службы, чем тот, который был прогнозирован первоначальным конструктором (кто, возможно, использовал более консервативные вычисления срока службы изделия, или кто, возможно, принял рабочие условия более жесткими, чем фактические условия эксплуатации, установленные на этапе 5, или кто, возможно, принял прочность материала выше, что фактическая прочность материала, установленная на этапе 4).

Предыдущие замечания предоставили краткий обзор по меньшей мере 6 этапов, которые могут быть объединены, чтобы выработать более точную оценку срока службы изделия. Следующие замечания предоставляют дополнительные подробности по меньшей мере о некоторых из этих 6 этапов.

В одном варианте осуществления изобретения проверки этапа 4 могут использоваться, чтобы подкреплять (но не проверять правильность) вычисления этапа 6, а также подтверждать, что деталь была изготовлена согласно проекту и что деталь также использовалась и обслуживалась согласно проекту. Проверки этапа 4 предпочтительно не используются для проверки правильности расчетов этапа 6, потому что неразрушающий контроль этапа 4 часто не способен обнаружить локальное повреждение при усталости или ползучести и поэтому часто недостаточно надежен для задания значения для накопленного повреждения.

Предпочтительно прогнозы продления срока службы этапа 6 должны полагаться на базу данных материалов в результате этапа 4, которая является совместимой с расчетным сроком службы. Предпочтительно база данных ползучести материалов в результате этапа 4 должна включать испытания не раньше чем 1/20 предполагаемого срока службы. Другими словами, база данных должна содержать достаточно информации (с точки зрения времени), чтобы быть достоверной. Пример в этом смысле приведен ниже. Предположим, что ротор газовой турбины имеет предполагаемый срок службы 20 лет. Желательно, чтобы база данных обладала информацией о роторе по меньшей мере за 1 год, то есть не раньше чем за 1/20 предполагаемого срока службы.

Результаты этапа 3 могут использоваться для прогнозирования паркового вероятностного срока службы, который отличается от технических требований к изделиям. До и после использования результатов этапа 3 любые ʺнеожиданныеʺ результаты должны быть исследованы, чтобы определить, должны ли быть изменены некоторые модели и/или распределения vitalX.

Результаты этапа 5 могут выявить неожиданные дефекты в детали (например, трещины). Если на этапе 5 обнаруживаются неожиданные дефекты, то должен быть выполнен анализ основных причин (root cause analysis, RCA). Результаты анализа RCA могут применяться на этапе 6, чтобы дополнительно настроить оценку продления срока службы, и могут примениться для конструирования и производства, чтобы улучшить первоначальные конструкцию и производство компонента. На этапе 5 трещины могут рассматриваться как индикация конца срока службы детали и должны исследоваться посредством анализа RCA, чтобы проверить, могут ли модели прогнозирования и функции TF продолжать считаться достоверными или же требуются изменения. Альтернативно, индикации, отличные от трещин (например, царапины, метки, отпечатки), могут быть приемлемы, но только если эти индикации, отличные от трещин, по-видимому, не воздействуют на срок службы детали. Повторная обработка дефектов может быть предложена для того, чтобы сделать эти индикации более гладкими.

Эти индикации, отличные от трещин (индикаторы использования), могут быть оценены посредством генерирования специальных функций TF. Функция TF будет иметь те же самые vitalX, что и другая TF, плюс размеры индикации (длина, глубина, толщина). Как отмечено выше, чтобы уменьшить количество функций TF, в одном варианте осуществления изобретения поверхности детали могут группироваться и определяться только одна функция TF для каждой группы поверхностей. Каждая группа может быть составлена согласно поверхностям, имеющим подобный характер изменения, так, чтобы конечная группа, имеющая самое плохое местоположение, могла быть выбрана как являющаяся представителем всей зоны. Ротор может иметь сотни, если не тысячи, малых поверхностей.

Вышеописанные этапы могут быть объединены в технологический маршрут, показанный на фиг. 4. Маршрут может начинаться с проверки (41) ротора турбины. Проверка определяет, существуют ли трещины (42), или же существуют (43) другие признаки, связанные со сроком службы (например, например, царапины, метки, отпечатки). Если трещины вследствие эксплуатации присутствуют, то выполняется (48) анализ первопричины (RCA). Результаты анализа RCA могут вводиться обратно в любые модели прогнозирования, используемые изготовителем, а также использоваться для анализа продления срока службы. Если обнаруживаются другие индикации, связанные с циклом эксплуатации (например, например, царапины, метки, отпечатки), то эти признаки могут объединяться с историческими результатами (44) эксплуатации, чтобы оценить остаточный срок службы для каждой индикации. Если ни трещины, ни другие индикации не обнаруживаются, распределения парка турбин могут быть модифицированы, чтобы предсказать остаточный срок службы конкретного блока (46). Например, распределения Υ для полного парка генерируются с использованием распределений vitalX, которые включают полную изменчивость, существующую в парке (например, распределение T_amb будет включать все возможные места, где могут работать машины. Также, распределения Υ конкретных блоков, имеющих распределения, которые находятся внутри парковых распределений, обычно сохраняют общую форму (например, колоколообразной кривой Гаусса). Однако эти распределения могут быть узкими, потому что одно или несколько распределений vitalX могут быть заменены значением (например, внутренним зазором) или заменены более узкими распределениями (например, температурой среды, окружающей участок). Это вычисление остаточного срока службы может учитывать также исторические результаты (44) эксплуатации. Модифицированное распределение парка может использоваться для прогнозирования общего риска для блока (47). Примеры предсказываемого риска включают прогнозирования для начала образования трещины и/или развития существующей трещины.

В процессе на фиг. 4 позиции 41, 42, 43 и 44 могут считаться являющимися частью этапа 5, с остальными позициями (45, 46, 47 и 48), относящимися к этапу 6. Один или более из вышеописанных этапов 1-4 может давать результаты для этапа 4. Это полезно, потому что большинство производителей турбинного оборудования проектируют свои компоненты так, что в течение их срока службы трещины в них не образуются.

Методология, описанная выше, ориентирована на газовые турбины, установленные и эксплуатируемые в настоящее время. Однако специалистам в данной области техники будет понятно, что по меньшей мере первые три этапа применимы к новому проекту (например, прогнозирование срока службы для новых проектов).

Вышеописанная методология может быть осуществлена в одном или более устройствах на основе процессоров (компьютерах), которые могут быть связаны или не связаны посредством проводной или беспроводной сети. Устройство на основе процессора содержит процессор, запоминающее устройство и устройство ввода. Устройство на основе процессора также может содержать дисплей. Такое устройство рассматривается в отношении фиг. 6. Программы для компьютера, связанные с вышеописанной методологией, могут быть записаны на энергонезависимый носитель данных, такой как запоминающее устройство или диск, либо другое устройство.

Согласно примеру осуществления, показанному на фиг. 5, имеется способ определения остаточного срока службы ротора газовой турбины. Способ включает шаг 500 приема в компьютере условий эксплуатации газовой турбины; шаг 502 приема результата проверки ротора газовой турбины; шаг 504 обновления, на основании условий эксплуатации газовой турбины и результата проверки ротора газовой турбины, базы данных для парка турбин, соответствующего данной газовой турбине; и шаг 506 расчета остаточного срока службы ротора газовой турбины.

Вышеописанный способ может быть реализован в устройстве для определения остаточного срока службы компонента газовой турбины. Устройство может содержать запоминающее устройство и процессор, функционально связанный с запоминающим устройством. Процессор может быть конфигурирован для приема условий эксплуатации газовой турбины, приема результата проверки ротора газовой турбины, обновления, на основании условий эксплуатации газовой турбины и результата проверки ротора газовой турбины, базы данных для парка турбин, соответствующего данной газовой турбине, и расчета остаточного срока службы ротора газовой турбины.

Процессор может быть дополнительно конфигурирован для использования физических моделей газовой турбины, чтобы вычислять многочисленные зависимые переменные газовой турбины на основании независимых переменных, или предоставлять независимые переменные в качестве входных данных для функций преобразования для вычисления переменных срока службы, или для приема распределений независимых переменных, или выполнения моделирования методом Монте-Карло на основании независимых переменных, распределений независимых переменных и функций преобразования, чтобы определять вероятностный срок службы парка или осуществлять разрушающие лабораторные испытания, выполняемые на деталях газовой турбины, или вычислять остаточный срок службы ротора газовой турбины на основании независимых переменных, передаточных функций, моделирований методом Монте-Карло и разрушающих лабораторных испытаний.

В примере осуществления компьютерный продукт на основе энергонезависимого носителя содержит команды для определения остаточного срока службы компонента газовой турбины, компьютерный продукт на основе энергонезависимого носителя выполнен так, чтобы заставлять устройство на основе процессора выполнять следующие команды: прием условий эксплуатации газовой турбины; прием результата проверки ротора газовой турбины; обновление, на основании условий эксплуатации газовой турбины и результата проверки ротора газовой турбины, базы данных для парка, соответствующего газовой турбине; и расчет остаточного срока службы ротора газовой турбины и связанного с ним риска продления срока службы.

Пример типичного устройства, способного выполнять операции в соответствии с рассмотренными выше вариантами осуществления изобретения, показан на фиг. 6. Аппаратные средства, встроенное программное обеспечение или их комбинация могут использоваться для выполнения рассмотренных в настоящем описании различных шагов и операций. Структура 600 вычислительной системы на фиг. 6 является примером вычислительной структуры, которая может использоваться в связи с такой системой.

Приводимое в качестве примера вычислительное устройство 600, подходящее для выполнения действий, описанных в примерах осуществления, может содержать сервер 601. Такой сервер 601 может содержать центральный процессор (central processor unit, CPU) 602, подключенный к оперативному запоминающему устройству (random access memory, RAM) 604 и к постоянному запоминающему устройству (read-only memory, ROM) 606. Устройство ROM 606 также может быть носителем данных другого типа для хранения программ, таким как программируемое постоянное запоминающее устройство (programmable ROM, PROM), стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (erasable PROM, EPROM) и т.д. Процессор 602 может осуществлять связь с другими внутренними и внешними компонентами посредством электрических схем 608 ввода-вывода (input/output, I/O) и соединительных линий 610, чтобы передавать управляющие сигналы и т.п. Как известно в данной области техники, процессор 602 выполняет ряд функций, которые предписываются командами программного и/или микропрограммного обеспечения.

Сервер 601 также может содержать одно или более устройств хранения данных, включая накопители 612 на жестких и гибких магнитных дисках, приводы 614 компакт-дисков постоянной памяти (compact disc read-only memory, CD-ROM) и другие аппаратные средства, способные считывать и/или хранить информацию, такие как цифровой видеодиск (digital versatile disc, DVD) и т.д. В одном варианте осуществления программное обеспечение для выполнения рассмотренных выше шагов может записываться и распространяться на диске CD-ROM 616, дискете 618 или другом виде носителя мультимедийной информации, пригодного для использования в качестве переносного накопителя. Эти носители данных могут вставляться в такие устройства, как привод 614 CD-ROM, дисковод 612 и т.д., а также читаться ими. Сервер 601 может соединяться с дисплеем 620, который может быть любым видом известного дисплея или экрана индикации, таким как жидкокристаллические дисплеи, плазменные дисплеи, электронно-лучевые трубки (cathode ray tubes, CRT) и т.д. Предусматривается входной интерфейс 622 пользователя, содержащий один или более механизмов интерфейса пользователя, таких как мышь, клавиатура, микрофон, сенсорная панель, сенсорный экран, система распознавания речи и т.д.

Сервер 601 может быть соединен через сеть с другими вычислительными устройствами, такими как терминалы проводных и/или беспроводных линий связи. Сервер может быть частью конфигурации большей сети, например, как в глобальной компьютерной сети (global area network, GAN), такой как Интернет 628, которая позволяет осуществлять подключение к самым отдаленным различным проводным и/или мобильным устройствам клиента/наблюдателя.

Раскрытые примеры осуществления предлагают способ, программное обеспечение и устройство для определения остаточного срока службы компонента газовой турбины. Должно быть понятно, что данное описание не предназначено для ограничения изобретения. Напротив, примеры осуществления предназначены для охвата вариантов, модификаций и эквивалентов, не выходящих за рамки сущности и объема изобретения, который определяется прилагаемой формулой изобретения. Кроме того, в подробном описании примеров осуществления многочисленные конкретные подробности изложены для того, чтобы обеспечить всестороннее понимание заявленного изобретения. Однако специалистам в данной области техники будет понятно, что различные варианты осуществления изобретения могут применяться на практике без таких конкретных подробностей.

Хотя признаки и элементы данных примеров осуществления описаны в вариантах осуществления изобретения в конкретных комбинациях, каждый признак или элемент могут использоваться сами по себе без других признаков и элементов вариантов осуществления или в различных комбинациях с другими признаками и элементами, раскрытыми в настоящем описании, или без них. Способы или блок-схемы, представленные в данной заявке, могут быть реализованы в программе для компьютера, программном обеспечении или встроенном программном обеспечении, хранящемся на машиночитаемом носителе данных для выполнения специальным программируемым компьютером или процессором.

Данное описание использует примеры изобретения, раскрытые для того, чтобы позволить любому специалисту в данной области техники использовать их на практике, включая создание и использование любых устройств или систем и выполнение любых способов, включенных в их состав. Объем изобретения определяется формулой изобретения и может включать другие примеры, которые могут быть очевидны специалистам. Такие другие примеры должны не выходить за рамки объема, заданного формулой изобретения.

Группа изобретений относится к прогнозированию и оптимизации срока службы газовой турбины. Технический результат – повышение точности определения срока службы газовой турбины. Для этого предлагаются устройство и способ для определения предполагаемого остаточного срока службы ротора газовой турбины, включающие управление газовой турбиной и получение в компьютере условий эксплуатации газовой турбины; проверку ротора газовой турбины и получение результата проверки ротора газовой турбины; обновление, на основании условий эксплуатации газовой турбины и результата проверки ротора газовой турбины, базы данных для парка турбин класса газовых турбин, имеющих набор общих характеристик, соответствующих данной газовой турбине; и вычисление предполагаемого остаточного срока службы ротора газовой турбины и соответствующего риска продления срока службы, при этом шаг вычисления также включает: измерение независимых переменных газовой турбины; и использование физических моделей газовой турбины для вычисления множества зависимых переменных газовой турбины на основании независимых переменных. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ определения предполагаемого остаточного срока службы ротора газовой турбины, включающий:

управление газовой турбиной и получение в компьютере условий эксплуатации газовой турбины;

проверку ротора газовой турбины и получение результата проверки ротора газовой турбины;

обновление, на основании условий эксплуатации газовой турбины и результата проверки ротора газовой турбины, базы данных для парка турбин класса газовых турбин, имеющих набор общих характеристик, соответствующих данной газовой турбине; и

вычисление предполагаемого остаточного срока службы ротора газовой турбины и соответствующего риска продления срока службы,

при этом шаг вычисления также включает:

измерение независимых переменных газовой турбины; и

использование физических моделей газовой турбины для вычисления множества зависимых переменных газовой турбины на основании независимых переменных.

2. Способ по п. 1, в котором проверка ротора газовой турбины включает определение наличия трещины в роторе, наличия использования в роторе или отсутствия событий в роторе.

3. Способ по п. 2, также включающий, если в роторе неожиданно возникла трещина, модификацию модели газовой турбины.

4. Способ по п. 2, также включающий, если в роторе имеется индикация использования или ожидаемая трещина, вычисление предполагаемого остаточного срока службы ротора для указанной индикации использования или ожидаемой трещины.

5. Способ по п. 2, в котором индикацией использования является метка, царапина, отпечаток в роторе или их комбинация.

6. Способ по п. 1, дополнительно включающий:

подачу независимых переменных в качестве входных данных для функций преобразования для вычисления переменных срока службы, причем переменная срока службы является параметром числа циклов до возникновения трещины при малоцикловой усталости.

7. Способ по п. 6, дополнительно включающий:

выполнение моделирования методом Монте-Карло на основании независимых переменных и распределений независимых переменных.

8. Способ по п. 6, дополнительно включающий:

выполнение моделирования методом Монте-Карло на основании независимых переменных, распределений независимых переменных и функций преобразования для определения вероятностного срока службы парка турбин.

9. Способ по п. 8, дополнительно включающий:

вычисление предполагаемого остаточного срока службы ротора газовой турбины на основании независимых переменных, функций преобразования, моделирования методом Монте-Карло и разрушающих лабораторных испытаний.

10. Устройство для определения предполагаемого остаточного срока службы компонента газовой турбины, содержащее:

запоминающее устройство; и

процессор, функционально связанный с запоминающим устройством и конфигурированный для:

управления газовой турбиной и получения условий эксплуатации газовой турбины;

проверки ротора газовой турбины и получения результата проверки ротора газовой турбины;

обновления, на основании условий эксплуатации газовой турбины и результата проверки ротора газовой турбины, базы данных для парка турбин класса газовых турбин, имеющих набор общих характеристик, соответствующих данной газовой турбине; и

вычисления предполагаемого остаточного срока службы ротора газовой турбины;

при этом процессор, сконфигурированный для вычисления предполагаемого остаточного срока службы, также конфигурирован для:

измерения независимых переменных газовой турбины; и

использования физических моделей газовой турбины для вычисления множества зависимых переменных газовой турбины на основании независимых переменных.