用于測量渦輪機系統中的結垢的系統的制作方法

用于測量渦輪機系統中的結垢的系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供用于測量渦輪機系統中的結垢的系統，所述系統包括布置于壓縮機進口嘴中的電導率電阻傳感器。壓縮機結垢的程度與由電導率電阻傳感器測量出的電阻的變化相關聯。電阻變化的測量結果被轉化成結垢標記并且并且用于觸發對壓縮機的清潔。
【專利說明】用于測量渦輪機系統中的結垢的系統

【技術領域】
[0001]本實用新型中所公開的主題總體涉及燃氣渦輪機壓縮機結垢(fouling)檢測，并且更具體地涉及使用電導率/電阻傳感器測量壓縮機結垢的系統。

【背景技術】
[0002]渦輪機系統(包括燃氣渦輪機)大體包括壓縮機部段、一個或多個燃燒器、和渦輪機部段。典型地，壓縮機部段對進口空氣進行加壓，經過加壓的進口空氣隨后轉向或反向流向燃燒器，在燃燒器處，經過加壓的進口空氣用于冷卻燃燒器并且還提供用于燃燒過程的空氣。在多燃燒器渦輪機中，燃燒器大體圍繞渦輪機以環形陣列定位并且過渡管道連接每一個燃燒器的出口端與渦輪機部段的進口端，以將燃燒過程的熱產物輸送至渦輪機。
[0003]渦輪機系統的部件在其操作期間經受由于結垢而造成的損壞。結垢是壓縮機部件上的材料累積。結垢由于顆粒粘附至翼型件和環表面而造成。造成結垢的顆粒典型地小于2至10 μ m。結垢可能造成氣動外形發生變化，從而降低壓縮機的效率，并且結垢可能顯著地影響渦輪機系統的性能和熱耗率。
[0004]為了保持壓縮機操作效率，工業渦輪機系統操作者執行各種維護動作，典型地包括在線水洗、離線檢測、離線水洗、和過濾器維護。能夠通過離線檢測和離線水洗來去除并且通過在線水洗來減慢結垢。在線水洗提供清潔壓縮機而不使渦輪機系統停機的優點。當操作時間表不允許停機時間以便執行更有效的離線水洗時，在線水洗方法使渦輪機系統效率得以恢復。系統的水噴嘴可以定位在壓縮機鐘形嘴殼體上游處或者直接位于通向壓縮機鐘形嘴殼體的進口處。這些噴嘴在相對低速空氣的區域內產生水滴噴霧。當操作時，噴霧被抽吸通過鐘形嘴并且通過旋轉的壓縮機所產生的負壓而被抽入壓縮機進口中。
[0005]可理解地，如果過于頻繁或過少地執行這些任務，則存在缺點。例如，過度在線水洗能夠促進侵蝕，同時不足的在線水洗造成壓縮機葉片上污垢物的累積增加。不可避免地，必須執行離線檢測，從而需要造成停機時間的渦輪機停機和拆除。盡管離線檢測是成本非常高的事件，但是無法及時執行這些檢測能夠對渦輪機造成損壞，例如由于點蝕而造成的壓縮機葉片的解離。因此，渦輪機系統操作者依賴仔細安排的離線檢測，以監測壓縮機性能并且執行修復以避免破壞性事件。
[0006]當前并不存在可靠的用于直接測量壓縮機結垢的系統。
實用新型內容
[0007]本實用新型提供了對直接測量壓縮機結垢的問題的解決方案。
[0008]根據一個示例性非限制性實施例，本實用新型涉及一種結垢測量系統。該結垢測量系統包括布置于壓縮機中的電導率傳感器和由電導率傳感器(conductivity sensor)產生電阻測量結果的檢測器子系統。結垢測量系統還包括處理器，該處理器將電阻測量結果轉化成結垢標記(indicia)。
[0009]其中，所述電導率傳感器包括基體和一對電極；所述基體和所述一對電極暴露于通過所述壓縮機的氣流；所述基體包括高電阻表面導體。
[0010]其中，所述電導率傳感器附接至壓縮機殼。所述結垢測量系統還包括以陣列布置的額外的一個或多個電導率傳感器。；所述電導率傳感器布置在水洗器的下游。
[0011]在另一個實施例中，提供一種具有壓縮機和壓縮機殼的渦輪機系統。該渦輪機系統還包括布置于壓縮機殼上的電導率傳感器和用于測量電導率傳感器的電阻變化的子系統。
[0012]其中，所述渦輪機系統還包括用于將所述電阻的變化轉化成結垢標記的子系統；所述渦輪機系統還包括顯示器，所述顯示器適于顯示所述結垢標記。
[0013]其中，所述渦輪機系統還包括處理器，所述處理器接收所述電導率傳感器的所述電阻的變化、并且應用標定參數以將所述電阻的變化轉化成結垢標記。所述處理器確定觸發壓縮機清洗的時間。
[0014]其中，所述電導率傳感器包括布置于高電阻基體上的一對電極。所述電導率傳感器暴露于通過所述壓縮機的氣流。所述渦輪機系統還包括布置于所述壓縮機殼上的電導率傳感器的陣列。
[0015]在另一個實施例中，一種用于測量渦輪機系統中的結垢的方法包括以下步驟:通過布置于渦輪機系統中的壓縮機殼上的電導率傳感器測量電阻以產生電阻測量結果；將結垢參數應用于電阻測量結果；以及將電阻測量結果轉化成結垢標記。
[0016]所述方法還包括確定所述電阻測量結果的變化。
[0017]其中，通過所述電導率傳感器測量電阻測量結果包括通過電導率傳感器的陣列來測量電阻測量結果。
[0018]所述方法還包括在顯示器中顯示所述結垢標記。
[0019]所述方法還包括產生信號以觸發壓縮機清洗。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]通過下文結合附圖對優選實施例更詳細的描述，本實用新型的其它的特征和優點將變得顯而易見，所述附圖以舉例的方式示出了本實用新型的某些方面的原理。
[0021]圖1是具有結垢測量系統的示例性渦輪機系統的示意圖。
[0022]圖2是結垢傳感器的實施例的示意圖。
[0023]圖3是結垢傳感器的實施例的俯視圖。
[0024]圖4是結垢傳感器的等效電路圖。
[0025]圖5是結垢傳感器的備選實施例。
[0026]圖6是來自圖5的標記為圖6的區域的詳細視圖。
[0027]圖7是沿圖5中的線A-A截取的結垢傳感器的備選實施例的橫截面。
[0028]圖8是結垢測量系統的實施例的示意圖。
[0029]圖9是用于檢測壓縮機結垢的方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0030]本實用新型提供了對壓縮機結垢的測量。該測量通過使用布置于壓縮機進口嘴處和/或壓縮機級之間的電導率/電阻傳感器(conductivity/resistance sensor)來完成。造成結垢的顆粒以與在壓縮機翼型件上相同的速率沉積在電導率/電阻傳感器上，由此使電阻減小。結垢的程度與電阻的減小相關。
[0031]圖1是渦輪機系統100的實施例的示意性上半部橫截面圖。渦輪機系統100包括壓縮機組件102、燃燒器組件104、第一級渦輪機噴嘴106、渦輪機噴嘴冷卻子系統108、渦輪機組件110和公共壓縮機/渦輪機軸112。
[0032]在操作中，空氣流過壓縮機組件102并且壓縮空氣被供給至燃燒器組件104，燃燒器組件104與壓縮機組件102流動連通。燃燒器組件104使用來自壓縮機組件102的空氣點燃并且燃燒燃料(例如，天然氣和/或燃料油)，并且產生高溫燃燒氣體流。燃燒器組件104還與第一級渦輪機噴嘴106流動連通。渦輪機噴嘴冷卻子系統108有利于第一級渦輪機噴嘴106的冷卻。渦輪機組件110可旋轉地聯接到公共壓縮機/渦輪機軸112并且驅動公共壓縮機/渦輪機軸112，該公共壓縮機/渦輪機軸112隨后向壓縮機組件102提供旋轉動力，該壓縮機組件102也可旋轉地聯接到公共壓縮機/渦輪機軸112。在示例性實施例中，具有一個或多個燃燒器組件104。在下文的討論中，除非另有說明，否則將僅討論每一種部件中的一個。結垢測量系統120連接至壓縮機殼125，并且布置成使得結垢測量系統120的至少一部分暴露于通過壓縮機進口嘴127、并且/或者位于壓縮機組件102中的壓縮機級之間的氣流。
[0033]結垢測量系統120的實施例示于圖2和圖3中。結垢測量系統120包括電導率/電阻傳感器121，該電導率/電阻傳感器121附接至壓縮機殼125。電導率/電阻傳感器121是不貴的，并且屬于多種常見系統中所使用的類型。電導率/電阻傳感器121包括連接部件130，該連接部件130適于連接至壓縮機殼125。連接部件130還支承平坦的非導電基體135，該連接部件130具有第一電極140和第二電極145。如圖2中所示，第一電極140和第二電極145間隔開，并且僅通過平坦的非導電基體135連接。第一電極140和第二電極145連接至信號線150，該信號線150隨后連接至讀數器155和交流電流源160。
[0034]圖4中示出了電導率/電阻傳感器121的等效測量電路167。該等效測量電路包括電源170和檢測器175。該電路包括信號接線電阻180 (R1)、基體電阻185 (R2a)和表面電阻190 (R2b)。表面電阻190隨著結垢增加而減小。總電阻195 (Rt)可以通過下式計算:
[0035]Rt = R1+R2,其中
[0036]R2 = R2aR2b/(R2a+R2b)
[0037]結垢測量系統120可以布置于壓縮機組件102的壓縮機進口嘴127處以及/或者壓縮機級之間的氣流中。隨著時間過去，造成結垢的顆粒沉積在平坦的非導電基體135上，由此使表面電阻190 (R2b)減小。因此，總電阻195 (Rt)的改變是壓縮機組件102中結垢程度的函數。通過測量跨過平坦的非導電基體135產生的電壓降，來測量平坦的非導電基體135和沉積在平坦的非導電基體135上的顆粒的電導率。使來自電路部分的電流通過平坦的非導電基體135和沉積在平坦的非導電基體135上的顆粒，來測量第一電極140與第二電極145之間的電壓降。
[0038]圖5、圖6和圖7中示出了圓柱形傳感器200，該圓柱形傳感器200可以附接至壓縮機殼125。圖5是圓柱形傳感器200的透視圖，其中壓縮機殼125被部分地剖切。圖7是沿圖5中的線A-A截取的圓柱形傳感器200的橫截面。圓柱形傳感器200布置于壓縮機進口嘴127中。圓柱形傳感器200包括連接部件215、下部帽220、高電阻表面導體225、和端帽230。第一電極235、和第二電極240布置于圓柱形傳感器200內部。端帽230與高電阻表面導體225之間的接口可以是擴展接口 245，以改進對表面結垢的敏感度(示于圖6中)。該靈敏度的提高是通過使暴露于形成在高電阻表面225上的結垢的第一電極235與第二電極240之間的相對面積增大來實現的。第一電極235和第二電極240連接至信號線250。圓柱形傳感器200的等效電路與電導率/電阻傳感器的等效電路相同，并且結垢的程度能夠與跨過高電阻表面導體225測量出的電阻的減小相關。
[0039]在操作中，圓柱形傳感器200和電導率/電阻傳感器121可以布置于壓縮機進口嘴127或者任何其后的級中。在電導率/電阻傳感器121的情況下，在第一電極140與第二電極145之間跨過平坦的非導電基體135提供電流。通過讀數器165測量電阻。可以通過確定為保持通過傳感器的電壓降的預定值而必須通過圓柱形傳感器200和電導率/電阻傳感器121的電流的值來測量電阻或電導率。隨著時間過去，顆粒沉積在平坦的非導電基體135上，從而造成第一電極140與第二電極145之間的電阻減小。電阻的減小與結垢的程度相關。在圓柱形傳感器200的情況下，在第一電極235與第二電極240之間跨過高電阻表面導體225提供電流。隨著顆粒粘附至高電阻表面導體225，電路的總電阻減小。
[0040]圖8是結垢測量系統251的示意圖。結垢測量系統251包括一個或多個電導率傳感器255。電導率傳感器(多個電導率傳感器)255向測量電阻模塊265提供信號，并且將該信號轉化成能夠由處理模塊270進行處理的輸出。處理模塊270利用基于模型的控制器和卡爾曼濾波器(Kalmanfilters)來處理測量出的電阻,并且向表征模塊275提供輸入。由結垢測量系統251的模型來獲得基于模型的控制器。一種建模方法是使用被稱為系統識別的數值方法。系統識別涉及從系統獲取數據，并且隨后對激勵(stimulus)和響應數據進行數值分析以估計系統的參數。處理模塊270可以利用參數識別技術(例如，卡爾曼濾波、跟蹤濾波、回歸映射(regress1n mapping)、神經映射(neural mapping)、逆向建模技術(inverse modeling techniques)、或其組合)來識別數據的移位。可以通過經過改型的卡爾曼濾波器、擴展的卡爾曼濾波器、或者其它的濾波算法來進行濾波，或者備選地，可以通過其它形式的平方(η-輸入、η-輸出)或者非平方(η-輸入、m-輸出)調節器來進行濾波。表征模塊275將結垢的特征表示成測量出的電導率或電阻的變化的函數。表征模塊(characterizat1n module) 275可以接收使電阻與結垢程度相關的標定輸入280。可以在生產設施或現場進行標定(Calibrat1n)。表征模塊275還可以接收距上一次離線水洗285的時間作為輸入。來自表征模塊275的輸出可以被提供給顯示模塊295，例如圖形用戶界面。顯示模塊295的輸出300可以是對壓縮機清洗的推薦或觸發。
[0041]結垢測量系統251可以被集成到較大的控制系統中，例如常規的GeneralElectric Speedtronic? Mark VI潤輪機系統控制系統。SpeedTronic?控制器監測與潤輪機系統相關聯的多個傳感器以及其它儀器。除了控制某些渦輪機功能(例如燃料流速)，SpeedTronic?控制器還由其渦輪機傳感器產生數據并且提供該數據以用于顯示給渦輪機操作者。可以使用產生數據圖表和其它數據表示的軟件來顯示數據，例如GeneralElectric Cimplicity? HMI 軟件產品。
[0042]Speedtronic?控制系統是包括微處理器的計算機系統，所述微處理器執行程序以使用傳感器輸入和來自人類操作員的指令來控制渦輪機系統的操作。控制系統包括可以通過軟件或者通過硬件邏輯電路實施的邏輯單元，例如取樣與保持、和與差單元。例如，由控制系統處理器產生的命令使得渦輪機系統上的致動器調節向燃燒室供給燃料的燃料控制系統、設定通向壓縮機的進口導向葉片、以及調節渦輪機系統上的其它控制設定。
[0043]控制器可以包括計算機處理器和使用由處理器執行的各種算法將傳感器讀數轉化成數據的數據存儲器。通過算法產生的數據指示渦輪機系統的各種操作條件。數據可以出現在操作者顯示器上，例如電聯接到操作者顯示器的計算機工作站。顯示器和/或控制器可以使用軟件來產生數據顯示和數據打印輸出，例如General Electric Cimplicity?數據監測和控制軟件應用。
[0044]圖9中示出了根據一個實施例測量渦輪機系統中的結垢的方法350。該方法350通過結垢測量系統251實施。
[0045]在步驟355中，該方法350通過布置于渦輪機系統中的殼上的電導率傳感器255 (或者電導率傳感器的陣列)來測量電阻。
[0046]在步驟360中，該方法350確定電阻測量結果的變化。
[0047]在步驟365中，該方法350將結垢參數應用于電阻測量結果。
[0048]在步驟370中，該方法350將電阻測量結果轉化成結垢標記
[0049]在步驟375中，該方法350在顯示模塊295中顯示結垢標記。
[0050]在步驟380中，該方法350產生信號以觸發壓縮機清洗。
[0051]除非具體說明，否則當術語的定義與術語常用的意義不同時， 申請人:意在利用下文提供的定義。
[0052]本說明書中所使用的術語僅為了描述特定實施例的目的并且不期望對本實用新型構成限制。除非具體說明，否則當術語的定義與術語常用的意義不同時， 申請人:意在利用本說明書中所提供的定義。除非上下文另有清楚的說明，否則單數形式“一個”旨在也包括復數形式。應當理解，盡管術語“第一”、“第二”等可以用于描述多個元件，但是這些元件不應當受到這些術語的限制。這些術語僅僅用于區分一個元件與另一個元件。術語“和/或”包括相關所列物件中的任何物件、和所有物件、一個或多個物件的組合。詞語“聯接到”和“與……相聯接”構想了直接或間接的聯接。
[0053]本說明書使用例子對本實用新型進行了公開(其中包括最佳模式)，并且還使本領域技術人員能夠實施本實用新型(其中包括制造和使用任何裝置或系統并且執行所包含的任何方法)。本實用新型的可專利范圍通過權利要求進行限定，并且可以包括本領域技術人員能夠想到的其它的例子。如果這種其它的例子具有與權利要求的字面語言沒有區別的結構元件，或者如果這種其它的例子包括等同結構元件，則期望這種其它的例子落入權利要求的范圍內。
【權利要求】
1.一種結垢測量系統，所述結垢測量系統包括: 電導率傳感器，所述電導率傳感器布置于壓縮機中； 檢測器子系統，所述檢測器子系統由所述電導率傳感器產生電阻測量結果；以及 處理器，所述處理器將所述電阻測量結果轉化成結垢標記。
2.根據權利要求1所述的結垢測量系統，其特征在于，所述電導率傳感器包括基體和一對電極。
3.根據權利要求2所述的結垢測量系統，其特征在于，所述基體和所述一對電極暴露于通過所述壓縮機的氣流。
4.根據權利要求3所述的結垢測量系統，其特征在于，所述基體包括高電阻表面導體。
5.根據權利要求1所述的結垢測量系統，其特征在于，所述電導率傳感器附接至壓縮機殼。
6.根據權利要求1所述的結垢測量系統，其特征在于，所述結垢測量系統還包括以陣列布置的額外的一個或多個電導率傳感器。
7.根據權利要求1所述的結垢測量系統，其特征在于，所述電導率傳感器布置在水洗器的下游。
8.一種渦輪機系統，所述渦輪機系統包括: 壓縮機； 壓縮機殼； 電導率傳感器，所述電導率傳感器布置于所述壓縮機殼上； 子系統，所述子系統用于測量所述電導率傳感器的電阻的變化。
9.根據權利要求8所述的渦輪機系統，其特征在于，所述渦輪機系統還包括用于將所述電阻的變化轉化成結垢標記的子系統。
10.根據權利要求9所述的渦輪機系統，其特征在于，所述渦輪機系統還包括顯示器，所述顯示器適于顯示所述結垢標記。
11.根據權利要求8所述的渦輪機系統，其特征在于，所述渦輪機系統還包括處理器，所述處理器接收所述電導率傳感器的所述電阻的變化、并且應用標定參數以將所述電阻的變化轉化成結垢標記。
12.根據權利要求11所述的渦輪機系統，其特征在于，所述處理器確定觸發壓縮機清洗的時間。
13.根據權利要求8所述的渦輪機系統，其特征在于，所述電導率傳感器包括布置于高電阻基體上的一對電極。
14.根據權利要求8所述的渦輪機系統，其特征在于，所述電導率傳感器暴露于通過所述壓縮機的氣流。
15.根據權利要求8所述的渦輪機系統，其特征在于，所述渦輪機系統還包括布置于所述壓縮機殼上的電導率傳感器的陣列。
【文檔編號】G01N27/04GK203965372SQ201320851247
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年12月20日 優先權日:2012年12月20日
【發明者】S.埃卡納亞克, A.I.西皮奧, P.S.迪馬斯焦, D.J.戴維斯 申請人:通用電氣公司