工業燃氣渦輪機中的健康狀況參數的估計的制作方法

工業燃氣渦輪機中的健康狀況參數的估計的制作方法
【專利摘要】工業燃氣渦輪機中的健康狀況參數的估計。本發明涉及一種用于確定燃氣渦輪機(100)的至少一個部件(101，102，103，104，105)的健康狀況參數、特別是容量或效率參數的偏差值的方法。根據方法，測量在部件(101，102，103，104，105)的測量點處的壓力值和溫度值。在部件(101，102，103，104，105)的預定壓力校正因子的基礎上確定校正壓力值。在部件(101，102，103，104，105)的預定溫度校正因子的基礎上確定校正溫度值。在校正壓力值、校正溫度值和例如測得的軸速度的基礎上確定部件(101，102，103，104，105)的健康狀況參數的估計實際值。確定在至少一個預定輸入參數的基礎上預測的部件(101，102，103，104，105)的健康狀況參數的標稱值。最后，通過將估計實際值與標稱值進行比較來確定健康狀況參數的偏差值。
【專利說明】
工業燃氣渦輪機中的健康狀況參數的估計
技術領域
[0001] 本發明涉及用于確定燃氣渦輪機的至少一個部件的健康狀況參數的偏差值的方 法。此外，本發明涉及用于燃氣渦輪機的控制單元。
【背景技術】
[0002] 工業燃氣渦輪機包括用于監測和控制燃氣渦輪機的多個傳感器。不是所有的發動 機參數都可以被測量或者他們可能僅以降低的精度進行測量。估計出對于不同發動機部件 的諸如效率和流動容量(所謂的健康狀況參數)等的非測量參數的設計方法輸出典型地被 用于燃氣渦輪發動機的健康狀況監測。
[0003] 對于健康狀況參數的變化存在有很多原因。例如，健康狀況參數的偏差發現在新 建成的發動機中由制造和組裝變化引起。另一方面，超過操作的壽命，燃氣渦輪機部件會經 受一定量的劣化并且該劣化可能是逐漸的或者是突然的。
[0004] 已知的劣化機制中的一些劣化機制是密封和二次流動泄漏、間隙增加、侵蝕和污 垢。雖然燃氣渦輪機健康狀況劣化是作為使用的結果在所有發動機中出現的正常老化過 程，但諸如異物損傷等的突然的異常事件是不可預測的，因為它們非預期地發生。
[0005] 在過去已設計出用于監測燃氣渦輪機的性能和健康狀況參數的各種方法。這些方 法能夠提供諸如發動機故障或發動機劣化的檢測等的診斷信息，并且提供諸如直到要求維 修程序為止發動機可以操作的時間等的預報信息。
[0006] US 2007/214796 A公開了一種用于監測燃燒動態感測系統的健康狀況的方法和 系統。燃氣渦輪發動機的環筒型燃燒裝置的至少兩個燃燒裝置筒的各個動態狀況用與筒中 的每一個相關聯的各個動態狀況傳感器來監測。方法還包括在各個動態狀況之間建立基線 關系并接著識別出指示了由與筒中的至少一個相關聯的動態狀況傳感器提供的降級信號 質量與基線關系的方差。
[0007] US 4,215,412 A公開一種實時燃氣渦輪發動機監測系統，其包括利用一組標量系 數和各種發動機操作參數的當前值來預測一組發動機性能參數的當前值的數字處理器。監 測這些性能參數的實際值并且與預測值進行比較以將偏差或誤差信號供給至監測邏輯，監 測邏輯提供在數字處理器內、在提供被監測的性能參數的實際值的傳感器單元內并且在燃 氣渦輪發動機內故障的指示。另外，偏差信號在數字處理器單元內被利用以確定各被監測 的發動機參數的臨時特性的依賴于時間的二次估計。
[0008] US 6,466,858 A公開并且描述了一種用于燃氣渦輪發動機的基于模型的趨勢處 理，其從發動機傳感器數據和環境飛行條件數據實時地生成發動機趨勢參數以評價發動機 狀況。發動機包括響應于發動機操作的多個傳感器。趨勢處理使用被聯接至發動機以監測 發動機操作并具有期望的處理速度和容量的市售處理器來實施。在用于部件診斷和故障檢 測與隔離的模型中估計和調整發動機健康狀況參數。
[0009] US 6,892，127 A公開并且提供了一種用于評價對機器部件造成的損傷的方法和 設備。方法包括:基于第一參數值指標計算出預期參數值;基于第二參數值指標計算出實際 參數值的估計，第二參數值指標不同于第一參數值指標;確定計算出的預期參數值是否與 計算出的實際參數值估計的差別大于預定的限制;和基于比較的結果生成損傷旗標。
[0010] US 8,050,843 A公開了一種真正的健康狀況估計或者使用真正健康狀況的估計 的在時間步驟處的獨立參數矢量或者作為用于在時間步驟處的預測的健康狀況參數矢量 的產生的起始值的在前一時間步驟處的參數矢量。基于后者和系統的擴展模型的輸入變量 的一組測得值，產生模型的輸出變量的預測。將該預測的模型輸出與輸出變量的測得值進 行比較以產生誤差。從該誤差，健康狀況參數估計器進而產生健康狀況參數估計作為預測 的健康狀況參數的修訂。
[0011] DE 40 23 663 A1公開了一種診斷方法。在瞬態記錄器中對產生自機器的轉動零 件的振動信號進行測量、預過濾和數字化。通過頻率變換在頻率范圍內對它們進行評價。獲 得至少一個特性值，該值代表諧波頻率的值與基頻在預定周期內的關系。信號處理器限制 頻帶并例如通過快速傅里葉變換計算出頻率函數。

【發明內容】

[0012] 目標是可以提供一種估計燃氣渦輪機健康狀況參數的動態行為的設計方法，使得 以該方式能夠實現在燃氣渦輪機的穩定狀態和瞬態操作條件下的性能診斷。
[0013] 該目的可以通過根據獨立權利要求所限定的一種確定燃氣渦輪機的至少一個部 件的操作參數的偏差值的方法和控制單元來解決。
[0014] 根據本發明的第一方面，呈現一種用于確定燃氣渦輪機的至少一個部件的健康狀 況參數的偏差值的方法。根據方法測量在部件的測量點處的壓力值和溫度值。測量在部件 的測量點處的壓力值和溫度值。在部件的預定壓力校正因子的基礎上確定校正壓力值。在 部件的預定溫度校正因子的基礎上確定校正溫度值。在校正壓力值和校正溫度值和/或例 如軸速度的基礎上確定部件的健康狀況參數（例如，效率和/或容量參數）的估計實際（例 如，效率和/或容量)值。
[0015] 在至少一個預定輸入參數的基礎上預測部件的健康狀況參數的標稱(例如，效率 和/或容量)值。
[0016] 通過將健康狀況參數的估計實際（例如，效率和/或容量)值與健康狀況參數的標 稱(例如，效率和/或容量)值進行比較來確定健康狀況參數的（例如，效率和/或容量)偏差 值。
[0017] 根據本發明的進一步的方面，呈現一種用于燃氣渦輪機的控制單元，其中控制單 元適于使得能執行上述方法。
[0018] 燃氣渦輪機的部件可以例如是壓氣機、燃燒裝置、壓氣機渦輪和動力渦輪。此外部 件也可以表示連接兩個部件的交互管（interduct)零件/部件。
[0019] 參數效率和容量也稱作部件的健康狀況參數，因為部件的效率和容量可以指示部 件的狀況/健康狀況(損傷、磨損等）。
[0020] 估計實際（例如，效率或容量)值表示基于在部件的測量點/站處的部件的壓力和 溫度的校正測量值和例如部件的軸速度的效率η和/或容量r。溫度可以限定在測量點處的 工作流體或部件部分的溫度。因此，估計實際值是基于部件的真實可測的實際值。
[0021] 下面給出用于估計實際效率值和估計實際容量值的示例性計算。
[0022]標稱(例如，效率或容量)值是基于被輸入部件內的預定輸入參數(諸如燃料輸入、 期望的輸出動力等）。標稱(例如，效率或容量)值是基于對于例如壓力和溫度的理論值，如 果部件被以預定輸入參數驅動時理論值理論上存在。因此，例如對于壓力和溫度的理論值 是基于輸入參數(即，性能參數）。
[0023]輸入參數例如是進入燃氣渦輪機內的燃料輸入、注入或從燃氣渦輪機或各個部件 排放的工作流體的質量流、燃氣渦輪機或各個部件的期望的輸出動力等。對于燃氣渦輪機 的部件來說，理論上是已知的，該溫度、壓力和/或軸速度分別是在對于燃氣渦輪機和部件 的期望的操作狀態的特定入口參數的基礎上在部件的測量點處存在。
[0024] 標稱(例如，效率或容量)值和溫度、壓力和/或軸速度分別可以從實時模型/模擬 或從燃氣渦輪機或部件的原型的實驗室試驗導出。
[0025] 通過將估計實際（例如，效率或容量)值與標稱(例如，效率或容量)值進行比較來 確定(例如，效率或容量)偏差值。（例如，效率或容量)偏差值指示了在理論標稱(例如，效率 或容量)值(對于新的且干凈的發動機)與基于分別在燃氣渦輪機和部件的操作狀態中的物 理測量的估計實際(例如，效率或容量)值之間的偏差。
[0026] 通過本發明的途徑，可以通過將估計實際效率(和/或容量)值與標稱效率(和/或 容量)值進行比較來確定部件的效率和/或容量的偏差值。
[0027] 總之，在燃氣渦輪機的操作期間的測量的幫助下確定工業燃氣渦輪機的健康狀況 參數(即，估計實際效率或容量）。諸如壓力、溫度和轉動速度等的測得的變量被用于估計出 對于效率和容量的計算出的變量。除了健康狀況參數之外，這些非測量變量典型地包括:難 以測量\測量不實際的估計生成動力、估計壓力和估計溫度，諸如高壓渦輪機入口溫度。估 計健康狀況參數通常用發動機部件的估計實際效率和(流動)容量來代表。當它們從其正常 健康狀況的狀況（即，標稱效率或容量值)偏離時，由各部件傳送的性能降級，并且這可以視 為部件特性上的偏移。一般地講，對于發動機性能偏離可以認為有兩個主要原因：發動機與 發動機的差異，和發動機劣化。根據本發明的方法涉及用于工業燃氣渦輪機中的用于監測 在穩定狀態和過渡條件下操作燃氣渦輪發動機的健康狀況的非測量\健康狀況參數的估計 的方法。
[0028] 根據所描述的方法，實現了在燃氣渦輪機氣體路徑中在各站(在特定部件處的測 量點)處的壓力和溫度測量。如果燃氣渦輪機是雙軸燃氣渦輪機，也可以考慮氣體發生器的 部件和動力渦輪軸的速度。
[0029] 在以下列表中，列出了對于特定部件的測得的軸速度、測得的溫度值T和測得的壓 力值P:
[0030]

[0031] 表 1
[0032] 根據本發明的進一步示例性實施例，通過確定在位于部件的測量點上游的上游站 處的上游壓力值與位于部件的測量點下游的下游站處的下游壓力值之間的比率來確定壓 力校正因子。
[0033] 此外，根據本發明的進一步示例性實施例，通過確定在位于部件的測量點上游的 上游站處的上游溫度值與位于部件的測量點下游的下游站處的下游溫度值之間的比率來 確定溫度校正因子。
[0034]校正溫度和壓力值可以被確定為在特定部件的上游入口處與下游出口處的各個 壓力或溫度值之間的算數平均。
[0035]因此，接著通過上述校正因子來校正在部件的測量點\站處的氣體路徑測量（壓 力、溫度）以代表在計算點\站處的壓力或溫度的值。
[0036] 例如，發動機儀表(傳感器)提供例如交互管部件中的壓力和溫度的測量（即，表1 中的Pld、Tld)。發動機氣體路徑中的交互管部件位于例如壓氣機渦輪部件(CT)與動力渦輪 部件(PT)之間。在壓氣機渦輪的出口（為相對于交互管部件的位于上游的部件)處和在動力 渦輪的入口（為相對于交互管部件的位于下游的部件)處，通過用于相應測量(壓力、溫度） 的各個校正因子的使用來實現壓力和溫度的各個校正測量。因此，對交互管部件中的測量 點處的測得的壓力值和溫度值進行校正以考慮壓氣機渦輪(CT)出口和動力渦輪(PT)入口 位置失配。
[0037] 也可以以其他方式對于其他部件計算出校正因子。例如，如果部件是壓氣機渦輪 (CT)，則諸如渦輪入口溫度(TIT)等的一些參數的測量是非常困難且不實際的，因為在壓氣 機渦輪的入口處的極高的溫度。因此，TIT計算是基于用于氣體發生器(壓氣機和CT)的能量 平衡，并且使用在不同燃氣渦輪機位置處的測量來計算：
[0038] TIT = Tid+KxiT(Tcd-Tin)；
[0039] 其中：
[0040] Tid =壓氣機渦輪部件的入口的上游的交互管部件內的交互管溫度；
[00411 KTIT =預定的校正因子。
[0042]在以下表2中，列出了對于燃氣渦輪機的特定部件和校正因子α的校正溫度值和壓 力值測量。表1中示出的以上測量可以被用于將對應于不同部件的燃氣渦輪機校正測量合 成：
[0043]

[0044] 表2燃氣渦輪機校正測量
[0045] 其中：
[0046] CT =壓氣機渦輪部件;和 [0047] PT =動力渦輪部件。
[0048]在燃氣渦輪機站的不同部件處的校正測量(溫度、壓力)值(例如見表2中）現在被 用于計算出估計值/健康狀況參數。計算可以例如對于兩組參數、即部件的效率和容量同時 執行。對于燃氣渦輪機的特定部件的示例性估計效率和容量參數被列在表3中：
[0049]
[0050]
[0051] 表 3
[0052] 如可以從表3得到的，第一組選擇的健康狀況參數描述了部件估計實際效率。以下 部件效率可以通過在下面示例性地描述的各種公式依賴于特定部件計算出。多變效率 (polytrophic efficiency)的計算被用于代表以下部件的效率：
[0053] 壓氣機多變效率：
[0055] 壓氣機渦輪多變效率：
[0054] (1 )
[0056]
_' .... ( 2 )
[0057] 動力渦輪多變效率：
[0058] -- (3：)
[0059] 其中用于工作流體(流過部件的空氣和熱氣體）的比熱的比率用如下多項式關系 限定：
[0060] γ = γ 〇+ γ ιΤ+ γ 2Τ2+ γ 3Τ3+ γ 4Τ4 (4)
[0061] 諸如對于壓氣機渦輪和動力渦輪等的對于其他部件的效率分別通過使用以上列 出的公式計算出。
[0062] 根據本發明的進一步示例性實施例，測量部件的轉動軸的軸速度。提供基于預定 部件輸入參數的標稱部件容量值。標稱容量值是基于例如對于壓力、溫度和速度的理論值， 如果部件被以預定輸入參數驅動時，理論上存在的理論值。在校正壓力值、校正溫度值和軸 速度的基礎上確定部件的估計實際容量值。通過將估計實際容量值與標稱容量值進行比較 來確定容量偏差值。
[0063] 如可以從表3中得到的，第二組選擇的健康狀況參數描述了燃氣輪機的動力渦輪 部件的部件估計實際容量和動力。動力渦輪的以下部件容量和動力可以通過下面示例性描 述的各種公式計算出。估計容量參數另外需要表2中列出的校正氣體路徑測量(溫度、壓 力）、例如燃氣渦輪機的軸速度。在燃氣渦輪機包括雙軸實施例、即氣體發生器部件和動力 渦輪部件的情況中，測得的氣體發生器軸速度和動力渦輪軸速度被用作附加的輸入參數。 因此，在允許發明方法捕獲選擇的燃氣渦輪機健康狀況參數、即估計容量的動態行為的計 算過程中可能會牽涉到氣體發生器軸和動力渦輪軸的測得的速度和加速度。
[0064] 以下容量通過例如用于以下部件的方法估計出：壓氣機容量、壓氣機渦輪容量和 燃燒裝置容量。這些容量可以通過以下等式計算出：
[0065] 壓氣機容量：
[0067]壓氣機渦輪容量：
[0066] (5 )
[0068]
[0070] s-?-( 6 )[0069] 燃燒裝置容量：
-rrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrr. ( J )[0071] 其中動力渦輪容量： 剛
m
[0073] 從預定部件特性推論出。
[0074] 參照附圖更詳細地描述特別是容量的計算。
[0075] 必須注意的是，發明的實施例是參照不同主題描述的。特別地，一些實施例是參照 方法類型權利要求描述的，而其他實施例是參照設備類型權利要求描述的。然而，本領域技 術人員將從以上和以下描述中收集到：除非另有指出，除了屬于一個類型的主題的特征的 任何組合之外，涉及不同主題的特征之間、特別是在方法類型權利要求的特征與設備類型 權利要求的特征之間的任何組合也被視為用該申請公開。
【附圖說明】
[0076] 以上限定的方面和本發明的進一步方面從將在下文中描述的實施例的示例而顯 而易見并且參照實施例的示例進行說明。將在下文中參照實施例的示例更詳細地描述，但 發明不限于實施例的示例。
[0077]圖1示出燃氣渦輪機的示意圖；
[0078] 圖2示出圖1中所示的燃氣渦輪機的壓氣機、燃燒裝置和壓氣機渦輪的示意圖；
[0079] 圖3示出根據本發明的示例性實施例的燃氣渦輪機的控制系統的示意圖；
[0080] 圖4示出根據本發明的示例性實施例的方法步驟的示意圖；
[0081] 圖5示出圖1中的燃氣渦輪機的示意圖，其中示出了排泄流體流;和
[0082] 圖6示出根據本發明的示例性實施例的示例性算法的示意圖。
【具體實施方式】
[0083] 附圖中的圖示呈示意性形式。需要注意的是，在不同的圖中，類似或同樣的元件設 置有相同的附圖標記。
[0084] 圖1示出根據本發明的示例性實施例的燃氣渦輪機100。燃氣渦輪機100包括多個 燃氣渦輪機部件101、102、103、104、105，在下面對它們進行描述。
[0085] 燃氣渦輪機100包括適于生成加壓的工作流體的氣體發生器裝置。氣體發生器裝 置包括壓氣機101、燃燒裝置102和壓氣機渦輪103。諸如空氣等的工作流體被注入壓氣機 101內。壓氣機101將工作流體加壓。
[0086]圖1中的箭頭示出工作流體的流動方向。在壓氣機101的下游，燃料被注入燃燒裝 置102內。工作流體、即工作流體的一部分與燃料混合并且被燃燒。燃燒裝置102生成加壓的 高能量工作流體，其驅動壓氣機渦輪103使得對應地生成機械能量，用于驅動壓氣機101。 [0087]熱的加壓的高能量工作流體被引導通過交互管（interduct) 105到動力渦輪104。 加壓的熱工作流體驅動動力渦輪104用于生成轉矩。
[0088] 圖2更詳細地示意性地示出如圖1中所示的燃氣渦輪機100的壓氣機101、燃燒裝置 102、壓氣機渦輪103、動力渦輪104和交互管105。
[0089] 術語上游和下游是指空氣流動和/或工作氣體流動通過發動機的流動方向，除非 另有規定。術語向前和向后是指氣體通過發動機的大體流動。術語軸向、徑向和周向是參照 發動機的轉動軸線20做出的。
[0090] 燃氣渦輪機100以流動順序包括入口 12、壓氣機101、燃燒裝置102和渦輪103,它們 大體以流動順序布置并且大體在縱向或轉動軸線20的方向上。燃氣渦輪機100進一步包括 可圍繞轉動軸線20轉動并且在縱向上穿過燃氣渦輪機100延伸的軸22。軸22將渦輪103驅動 地連接至壓氣機101。
[0091] 在燃氣渦輪機100的操作中，通過空氣入口 12吸入的空氣24由壓氣機100壓縮并且 被傳送至包括燃燒器部16的燃燒裝置102。燃燒器部16包括燃燒器增壓室26、由雙壁筒27限 定的一個或多個燃燒室28和被固定至各燃燒室28的至少一個燃燒器30。燃燒室28和燃燒器 30位于燃燒器增壓室26的內側。通過了壓氣機12的壓縮空氣進入擴散器32并且被從擴散器 32排放到燃燒器增壓室26內，空氣的一部分從那里進入燃燒器30并且與氣體或液體燃料混 合。空氣/燃料混合物接著被燃燒并且來自燃燒的燃燒氣體34或工作氣體經由過渡管道35 被引導至渦輪103。
[0092]渦輪103包括被附接至軸22的多個葉片承載盤36。在本示例中，兩個盤36均承載渦 輪葉片38的環形陣列。然而，葉片承載盤的數量可以不同，即僅一個盤或超過兩個盤。另外， 被固定至燃氣渦輪機100的定子42的引導翼片40被布置在渦輪葉片38之間。在燃燒室28的 出口與前渦輪葉片38之間設置了入口引導翼片44。
[0093]來自燃燒室28的燃燒氣體進入渦輪103并驅動渦輪葉片38,進而使軸22轉動。引導 翼片40、44用于優化燃燒或工作氣體的到渦輪葉片38上的角度。壓氣機100包括引導翼片級 46和轉子葉片級48的軸向系列。
[0094]圖3示意性地示出用于控制燃氣渦輪機100的控制系統301。控制系統301包括輸入 單元306和控制單元307。可以通過輸入單元306將期望的動力輸出或輸入值輸入至控制單 元307。控制單元307在期望的輸入值(為期望通過燃氣渦輪機100來獲得的）的基礎上計算 出對于燃氣渦輪機100的控制參數的各個值。控制參數可以例如是被注入燃氣渦輪機100的 燃燒裝置102內的燃料量。控制系統301被聯接至燃氣渦輪機100,使得燃氣渦輪機100在控 制參數的基礎上操作。
[0095]此外，控制參數可以被用于燃氣渦輪機100的實時模型模擬。在控制參數的基礎 上，實時模型模擬302計算出例如對于燃氣渦輪機或燃氣渦輪機100的各個部件101至105的 標稱(例如，效率或容量)值(h pre3d)。
[0096]此外，健康狀況參數估計單元303被聯接至燃氣渦輪機100,使得可以測量出在特 定部件101至105處的某個預定的測量點處的壓力值、溫度值和/或軸速度。
[0097]在對于溫度、壓力和/或軸速度的測得值的基礎上，健康狀況參數估計單元303計 算出各個部件1 〇 1至105的估計實際(例如，效率或容量)值(。
[0098]偏差值單元304被聯接至實時模型單元302和健康狀況參數估計單元303,用于接 收標稱值(hpre3d)、即標稱效率值和/或標稱容量值，和估計實際值(hestm)、即估計實際效率值 和/或估計容量值。在標稱效率值和/或標稱容量值及估計實際效率值和/或估計容量值的 基礎上，偏差值單元304計算出偏差值Δ h(例如，通過公式：Δ h = hpred-hestm)、即效率偏差值 和/或容量偏差值。
[0099]偏差值Δ h可以被提供用于被聯接至偏差值單元304的診斷單元305。在偏差值Δ h 的基礎上，可以進行診斷分析和預報分析以便估計出在燃氣渦輪機100的穩定狀態和過渡 操作條件下的燃氣渦輪機健康狀況的動態行為。
[0100]圖4示出了示出根據本發明的示例性實施例的方法的主要步驟的流程圖。根據方 法，測量出在部件101、102、103、104、105的測量點處的壓力值、溫度值和例如軸速度(見步 驟 401)。
[0101] 在部件101、102、103、104、105的預定壓力校正因子的基礎上確定出校正壓力值。 在部件101、102、103、104、105的預定溫度校正因子的基礎上確定出校正溫度值（見步驟 402) 〇
[0102]在校正壓力值、校正溫度值和例如軸速度的基礎上確定出部件101、102、103、104、 105的估計實際(例如，效率或容量)值。確定出在至少一個預定輸入參數的基礎上預測的部 件101、102、103、104、105的標稱(例如，效率或容量)值(見步驟403)。
[0103]最后，通過將估計實際(例如，效率或容量)值與標稱(例如，效率或容量)值進行比 較確定出（例如，效率或容量)偏差值(η)(見步驟404)。
[0104] 在通過控制單元307計算出的至少一個預定輸入參數的基礎上預測部件101、102、 103、104、105的標稱(例如，效率或容量)值。
[0105] 參數效率和容量被稱作部件101、102、103、104、105的健康狀況參數，因為部件的 效率和容量可以指示部件101、102、103、104、105的狀況/健康狀況(損傷、磨損等）。
[0106] 估計實際（例如，效率或容量)值分別表示部件的基于在部件101、102、103、104、 105的測量點處的壓力和溫度的校正測量值的效率或容量。溫度可以限定在測量點處的工 作流體或部件101、102、103、104、105的溫度。因此，估計實際效率值是基于部件101、102、 103、 104、105的真實可測的實際值。
[0107] 下面給出用于估計實際效率和容量值的示例性計算公式。
[0108] 標稱(例如，效率或容量)值是基于通過例如輸入單元306或控制單元307輸入的預 定輸入參數(諸如燃料輸入、期望的輸出動力等）。標稱(例如，效率或容量)值是基于如下理 論值(例如對于壓力和溫度），如果部件101、102、103、104、105是以預定輸入參數驅動時，理 論存在的理論值。因此，例如對于壓力和溫度的理論值是基于輸入參數(即，性能參數）。
[0109] 輸入參數例如是進入燃氣渦輪機內的燃料輸入、注入或從燃氣渦輪機或各個部件 排放的工作流體的質量流、燃氣渦輪機或各個部件的期望的輸出動力等。對于燃氣渦輪機 100的部件101、102、103、104、105來說，理論上是已知的，溫度、壓力和/或軸速度分別是在 對于燃氣渦輪機和部件的期望的操作狀態的特定入口參數的基礎上在部件101、102、103、 104、 105的測量點處存在的。
[0110] 標稱(例如，效率或容量)值和溫度、壓力和/或軸速度分別可以從實時模型/模擬 單元302或從燃氣渦輪機100或部件101、102、103、104、105的原型的實驗室試驗導出。
[0111] 根據所描述的方法，實現了在燃氣渦輪機氣體路徑中在各站（在特定部件101、 102、103、104、105處的測量點）處的壓力和溫度測量。如果燃氣渦輪機100是雙軸燃氣渦輪 機，也可以考慮氣體發生器的部件101、102、103、104、105和動力渦輪軸的速度。
[0112] 在以上表1中，列出了對于燃氣渦輪機的特定部件101、102、103、104、105的測得溫 度值T和測得壓力值P。
[0113]壓力校正因子通過確定在位于部件的測量點上游的上游測量站處的上游壓力值 與在位于部件101、102、103、104、105的測量點下游的下游測量站處的下游壓力值之間的比 率來確定。
[0114] 校正溫度和壓力值可以被確定為在特定部件101、102、103、104、105的上游入口處 與下游出口處的相應壓力或溫度值之間的算數平均。
[0115] 因此，接著通過上述校正因子來校正在部件101、102、103、104、105的測量點處的 氣體路徑測量(壓力、溫度）以代表在相應站處的壓力或溫度的值。
[0116] 例如，發動機儀表(傳感器)提供例如交互管部件中的壓力和溫度的測量（即，表1 中的Pid、Tid)。發動機氣體路徑中的交互管部件105位于例如壓氣機渦輪部件(CT) 103與動 力渦輪部件(PT) 104之間。在壓氣機渦輪103(相對于交互管部件105是位于上游的部件）的 出口處和在動力渦輪104(相對于交互管部件105是位于下游的部件）的入口處，通過用于測 量(壓力、溫度)的各個校正因子的使用來實現壓力和溫度的相應測量。接下來，對交互管部 件105的測量點處的測得的壓力值和溫度值進行校正以考慮CT出口和PT入口位置失配。
[0117] 也可以以其他方式對其他部件計算出校正因子。例如，如果部件是壓氣機渦輪 (CT)103,則諸如渦輪入口溫度(TIT)等的一些參數的測量是非常困難且不實際的，因為在 壓氣機渦輪103的入口處的極高的溫度。因此，TIT使用在不同燃氣渦輪機位置處的測量來 計算：
[0118] TIT = Tid+KxiT(Tcd-Tin)；
[0119] 在燃氣渦輪機100的不同部件101、102、103、104、105處的校正測量(溫度、壓力)值 (例如見表2中）現在被用于計算出估計值/健康狀況參數。計算可以例如對于兩組參數、BP 部件的效率和容量同時執行。對于燃氣渦輪機的特定部件的示例性估計效率和容量參數被 列在上面表3中。
[0120] 如可以從表3得到的，第一組選擇的健康狀況參數描述了部件101、102、103、104、 105的估計實際效率。以下部件效率可以通過在下面示例性地描述的各種公式依賴于特定 部件計算出。多變效率(polytropic efficiency)的計算被用于代表以下部件的效率η:
[0121] 壓氣機多變效率：
[0122] (1)
[0124]
[0123] 壓氣機渦輪多變效率：
-........;;;.......：. (2)
[0125] 動力渦輪多變效率：
[0126] - (3 )
[0127] 其中用于工作流體(流過部件的空氣和熱氣體）的比熱的比率用如下多項式關系 限定：
[0128] γ = γ 〇+ γ ιΤ+ γ 2Τ2+ γ 3Τ3+ γ 4Τ4 (4)
[0129] 諸如對于壓氣機渦輪101和動力渦輪104等的對于其他部件101、102、103、104、105 的效率分別通過使用以上列出的公式計算出。
[0130] 如可以從表3中得到的，第二組選擇的健康狀況參數描述了燃氣輪機100的動力渦 輪部件104的部件估計實際容量Γ和動力。動力渦輪100的以下部件容量和動力可以通過下 面示例性描述的各種公式計算出。估計容量參數另外需要表2中列出的校正氣體路徑測量 (溫度、壓力）、例如燃氣渦輪機的軸速度。在燃氣渦輪機1〇〇包括雙軸實施例、即氣體發生器 部件和動力渦輪部件的情況中，測得的氣體發生器軸速度和動力渦輪軸速度被用作附加的 輸入參數。因此，在允許發明方法捕獲選擇的燃氣渦輪機健康狀況參數、即估計容量的動態 行為的計算過程中可能會牽涉到氣體發生器軸和動力渦輪軸的測得的速度和加速度。
[0131] 以下容量Γ通過例如用于以下部件的方法估計出：壓氣機容量、壓氣機渦輪容量 和燃燒裝置容量。這些容量可以通過以下等式計算出：
[0132] 壓氣機容量：
[0134] 壓氣機渦輪容量：
[0133] (5)
[0135]
- (6)[0136] 燃燒裝置容量：
________________________________ ( 7、）[0138] 其中動力渦輪容量：
[0137] _] j
(S)
[0140] 從預定部件特性推論出。
[0141] 圖5示出圖1中的燃氣渦輪機100的示意圖，其中示出了空氣流的分布。
[0142] 對于上述公式（5)、（6)和（7)的變量可以從下面描述的公式計算出。部件容量： Γ _b、Γ。_和Γ。*可以通過考慮流過各個部件的工作流體的質量流斑計算出。動力渦輪容 量和Γ pt從預定部件映射推斷出，該映射用2D查找表代表。容量通常被以渦輪機壓力比率和 渦輪機速度的函數描述。
[0143] 因此，圖5中示出的排泄和冷卻空氣流(^必須如下面描述地考慮：
[0146] 部件容量乘數通過利用即燃燒裝置質量流率比使部件質量流標準化來設計：
[0144]
[0145]
[0147]
[0148] 壓氣機容量乘數從對于氣體發生器的質量的守恒導出：
[0149] (17)
[0150] 上面的方程式中的壓氣機渦輪(CT)冷卻流動系數3。^。。。1被限定為：
[0151]
[0152] 其中qiR表在特定位置(見圖5)排泄的空氣的量，其中
[0153] ISBV =壓氣機（101)級間排泄閥，
[0154] B0V =安裝在中心殼體處的排氣/排泄閥，
[0155] BLEED =用于渦輪盤的密封并且還有冷卻的高壓空氣排泄，
[0156] LEAK_BLEED =從BLEED (排泄)流的空氣泄漏，和
[0157] REMIX_BLEED =用于CT部件的冷卻的空氣。
[0158] 壓氣機渦輪容量乘數從用于氣體發生器的機械能量的守恒導出。
_一 (9)[0160] 在對于壓氣機和壓氣機渦輪容量乘數的以上方程式中，項A和B限定如下：
[0159]
[0161] (10)
[0162] 其中ngg和?分別是氣體發生器速度和加速度。氣體發生器軸損耗用損耗系數 Lgg_i〇ss和氣體發生器轉動慣量的Igg代表。在穩定狀態()中，項A簡化為：
[0163] ? ·
… 〇[0164] 項B被表達為對于壓氣機和壓氣機渦輪部件的比功的比率：
[0165] (11)
[0166] 對于工作流體(空氣和熱氣體)的比熱可以通過如下四階多項式關系式來限定：
[0167] CP = CPo (CPi+CP2T+CP3T2+CP4T 3+Cp5T4)
[0168] 并因此對于工作流體的比功可以通過將用于比熱的表達式在給定溫度范圍內積 分來得到：
[0169] 對于作為工作流體的空氣的壓氣機比功：
[0170] /Cp_compdT
[0171 ]對于作為工作流體的熱氣體的渦輪比功：
[0172] /CP_tdT
[0173] 將部件容量Γ>(動力渦輪容量)和r_b(燃燒裝置容量)導少
勾，動 力渦輪容量乘數可以表達如下：
[0174]
(12)
[0175] 其中PT容量從如下PT容量部件映射推斷出：
[0176]
[0177] 通過使用確定出的動力渦輪容量乘數Mpt并利用對于動力渦輪(PT)軸的機械能量 的守恒，用于PT軸動力的表達式可以被表達為：
[0179] 在用于動力渦輪(PT)軸動力的以上表達式中，項C和D被限定如下：
[0178] (13 )
[0180]
[0181] 其中npt和力辦分別是動力渦輪(PT)軸速度和加速度。動力渦輪軸損耗用損耗系數 Lptjoss和PT軸轉動慣量的Ipt代表。
[0182] 在穩定狀態（？ipt=0 )中，項C簡化β
卜因此可以使用在穩定狀 態中用于ΡΤ軸動力的以下表達式：
[0183]
[0184] 如上所述，通過使用先前確定出的容量乘數，壓氣機和壓氣機渦輪容量 可以表達如下：
[0185] 壓氣機容量
[0187] 壓氣機渦輪容量
[0186] (5)
[0188](6 )
[0189] 為了計算出燃燒裝置容量并且使得該值可用于下一計算時間步驟（圖），可以使用 對于動力渦輪部件的質量的守恒：
[0190] (7)
[0191] 以上表達式中的壓氣機渦輪(CT)和動力渦輪(PT)冷卻\再混空氣流動可以被 確定為：
[0192]
[0193] PT再混和冷卻流動系數被限定為：
[0194] 一 PT再混流動：δ pt_remix =(l-qiSBV) ( l-qB0V)qBLEED( l-qLEAK-BLEED)qREMIX-BLEED
[0195] -PT冷卻流動：3pt-CC)C)i = qisBV( l-qLEAK-isbv) (l-qREMix-isbv)
[0196] 其中qi代表在特定位置（ISBV-級間排泄閥，BOV-排氣閥等[圖1 ])被排泄的空氣 的量：
[0197] ISBV =壓氣機級間排泄閥，
[0198] B0V =安裝在中心殼體處的排氣/排泄閥，
[0199] BLEED =用于渦輪盤的密封并且還有冷卻的高壓空氣排泄，
[0200] LEAK_BLEED =從BLEED (排泄）流的空氣泄漏，
[0201] REMIX_BLEED =用于CT部件的冷卻的空氣，
[0202] LEAK_ISBV =從壓氣機級間排泄閥流的空氣泄漏，和
[0203] REMIX_ISBV =用于PT密封的空氣。
[0204]在圖6中，示出了根據本發明的示例性實施例的示例性算法的示意圖。
[0205]特別地，示出了與上述公式的相互作用。在圖6中概述了部件容量和PT中動力的估 計是遞歸計算并且在前一時間步驟中計算出的燃燒裝置容量的值可以被考慮。圖6中的數 字表示上述公式的編號。
[0206] 因此通過發明方法計算出的（例如，效率或容量)偏差值可以與在通過發明方法的 前一確定步驟中確定出的另一(例如，效率或容量)偏差值進行比較，以便確定(例如，效率 或容量)偏差值隨時間的變化。
[0207] 在各時間步驟的結束時，所有估計參數被更新并可用于進一步的動作\決策。
[0208] 應該注意的是術語"包括"不排除其他元件或步驟并且"一"或"一個"不排除多個。 還有與不同實施例相關聯地描述的元件可以被組合。還應該注意的是權利要求中的附圖標 記不應該被解釋為限制權利要求的范圍。
[0209] 附圖標記：
[0210] 12 入口
[0211] 16燃燒器部
[0212] 20燃氣渦輪機的轉動軸線
[0213] 22 軸
[0214] 24 空氣
[0215] 26燃燒器增壓室
[0216] 27 雙壁筒
[0217] 28燃燒室
[0218] 30燃燒器
[0219] 32擴散器
[0220] 34燃燒氣體
[0221] 35過渡導管
[0222] 36葉片承載盤
[0223] 38渦輪葉片
[0224] 40引導翼片
[0225] 42 定子 42
[0226] 44入口引導翼片
[0227] 46引導翼片級
[0228] 48轉子葉片級
[0229] 100燃氣渦輪機
[0230] 101壓氣機
[0231] 102燃燒裝置
[0232] 103壓氣機渦輪
[0233] 104動力渦輪
[0234] 105交互管
[0235] 301控制系統
[0236] 302實時模型單元
[0237] 303健康狀況參數估計單元
[0238] 304偏差值單元
[0239] 305診斷單元
[0240] 306輸入單元
[0241] 307控制單元
[0242] 401測量值
[0243] 402確定校正值
[0244] 403確定估計實際值
[0245] 404確定偏差值
【主權項】
1. 一種用于確定燃氣渦輪機（100)的至少一個部件（101，102,103,104,105)的健康狀 況參數的偏差值的方法，所述方法包括： 測量在所述部件（101，102，103，104，105)的測量點處的壓力值和溫度值， 在所述部件（101，102，103，104，105)的預定壓力校正因子的基礎上確定校正壓力值， 在所述部件（101，102，103，104，105)的預定溫度校正因子的基礎上確定校正溫度值， 至少在所述校正壓力值和所述校正溫度值的基礎上確定所述部件（101，102,103,104， 105)的所述健康狀況參數的估計實際值， 提供在至少一個預定輸入參數的基礎上預測的所述部件（101，102,103,104,105)的所 述健康狀況參數的標稱值， 通過將所述健康狀況參數的所述估計實際值與所述健康狀況參數的所述標稱值進行 比較來確定偏差值。2. 根據權利要求1所述的方法， 其中所述健康狀況參數的所述標稱值通過所述燃氣渦輪機（100)的實時模型或所述燃 氣渦輪機(100)的實驗室試驗來確定。3. 根據權利要求1或2所述的方法，進一步包括 通過確定在位于所述部件（101，102，103，104，105)的所述測量點上游的上游站處的上 游壓力值與位于所述部件（101，102，103，104，105)的所述測量點下游的下游站處的下游壓 力值之間的比率，來確定所述壓力校正因子。4. 根據權利要求1至3中的任一項所述的方法，進一步包括 通過確定在位于所述部件（101，102，103，104，105)的所述測量點上游的上游站處的上 游溫度值與位于所述部件（101，102，103，104，105)的所述測量點下游的下游站處的下游溫 度值之間的比率，來確定所述溫度校正因子。5. 根據權利要求1至4中的任一項所述的方法， 其中所述健康狀況參數是效率參數和/或容量參數。6. 根據權利要求5所述的方法，進一步包括 測量所述部件（101，102，103，104，105)的轉動軸的軸速度， 提供所述部件（101，102,103,104,105)的所述容量參數的標稱容量值，所述標稱容量 值針對用于所述壓力、溫度和軸速度的標稱值被預測，如果所述部件被以所述預定輸入參 數驅動，所述標稱容量值理論上存在。 在所述校正壓力值、所述校正溫度值和所述軸速度的基礎上確定所述部件（101，102， 103，104，105)的所述容量參數的估計實際容量值，以及 通過將所述估計實際容量值與所述標稱容量值進行比較，來確定形成所述偏差值的容 量偏差值。7. 根據權利要求6所述的方法，進一步包括 將所述容量參數的所述容量偏差值與在前一確定步驟中所確定出的所述容量參數的 另一容量偏差值進行比較，以便確定所述容量偏差值隨時間的變化。8. 根據權利要求5至7中的任一項所述的方法，進一步包括 將所述效率參數的所述效率偏差值與在前一確定步驟中所確定出的所述效率參數的 另一效率偏差值進行比較，以便確定所述效率偏差值隨時間的變化。9. 根據權利要求1至8中的任一項所述的方法，進一步包括 測量在另一部件（101，102,103,104,105)的另一測量點處的另一壓力值和另一溫度 值， 在所述另一部件（101，102,103,104,105)的另一預定壓力校正因子的基礎上確定另一 校正壓力值， 在所述另一部件（101，102,103,104,105)的另一預定溫度校正因子的基礎上確定另一 校正溫度值， 在所述另一校正壓力值、所述另一校正溫度值和進一步測量的軸速度的基礎上確定所 述另一部件（101，102,103,104,105)的所述健康狀況參數的另一估計實際值， 提供在至少一個另一預定輸入參數的基礎上預測的所述另一部件（101，102，103,104， 105)的所述健康狀況參數的另一標稱值， 通過將所述另一估計實際值與所述另一標稱值進行比較來確定另一偏差值。10. -種用于燃氣渦輪機(100)的控制單元，其中所述控制單元適于使得根據權利要求 1至9中的一項所述的方法能執行。
【文檔編號】G05B23/02GK105980945SQ201580007333
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2015年1月9日
【發明人】V·帕諾維
【申請人】西門子股份公司