用于燃气轮机的自动测试系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及包括测试系统的燃气轮机和用测试程序操作燃气轮机系统的方法。
【背景技术】
[0002]工业燃气涡轮机被设计用于产生机械或电功率。在一定的运行时间之后，例如，在修理或翻修之后，为了检查工业燃气涡轮机是否仍然正确运行，需要进行燃气涡轮机与预定运行点一起在其下运行的测试序列。每个运行点指定一组表示发动机应运行的状态的设置点。
[0003]在现有的工业燃气涡轮机中，燃气涡轮机的测试序列是手动启动的。操作员通过控制设备手动地控制工业燃气涡轮机，使得燃气涡轮机以由测试循环预定义的预定设置点运行。例如，在认证或工业燃气涡轮机的性能测试中产生预定测试循环。
[0004]因此，为了引导工业燃气涡轮机的测试序列，手动地启动和控制测试循环的操作员是必须的。进一步地，在认证测试中预定义的测试序列通常与测试运行参数值和实际燃气涡轮机暴露的环境参数是不一致的。对于这种偏差的一些原因，可以在工业燃气轮机测试时和其日常使用时的气候(例如温度和海拔)和燃料成份的差异中找到。
[0005]US 4，821，217公开了一种可编程测试站，其自动执行喷气飞机发动机的电动和气动系统的静态测试。测试站在每个发动机上自动模拟将测试的系统并测量它们的响应。可编程数据采集计算机同时控制刺激和测量值，并产生数据。站同时可操作地连接到多个发动机，并根据站用户指令测量每一个上的特定系统。
[0006]US 4，389，710公开了用于练习和测试在飞机制动系统中的防滑和自动制动控制电路的可操作性的测试电路。数字处理器和与每个防滑控制电路和自动制动系统阀驱动器有关的接口电路通信。每一个这样的接口电路包括从处理器接收电刺激并应用同样的电刺激至相关的防滑控制电路或自动制动系统阀驱动器中的各种测试点的模拟开关。模拟选择器连接到防滑控制电路和自动制动系统阀驱动器中的各种测试点，以感应对电刺激的响应，并将这种响应传递至处理器，以确定防滑和自动制动控制系统的可操作性。
[0007]US 5，521，824公开了使用超前-滞后控制的发动机测试装置。运行接口产生控制模式信号和多个设置点。操作员还包括用于接收控制模式信号和多个设置点，并响应运行发动机测试装置的测试控制器。测试控制器感应发动机测试装置的运行特性。测试控制器还根据控制模式信号选择地运行发动机测试装置参数。
[0008]US 8，161，806公开了用于在其运行期间监测飞机的燃气涡轮机的发动机性能参数的方法。方法包括感应性能参数，产生模拟传感器输出，通过用至少一个接近发动机安装的轮毂单元决定模拟传感器输出生成数字数据。
[0009]US 4，215，412公开了飞机的燃气涡轮机的实时性能监测。监测系统包括使用一组标量系数和各个发动机运行参数的电流值的数字处理器，以预测一组发动机性能参数的电流值。监测这些性能参数的实际值，并将其与预测值比较，以提供航空信号的偏差至使用数字处理器提供故障指示的监测逻辑。
[0010]EP I 288 644公开了用于涡轮机的诊断方法和诊断系统。系统评估在燃气涡轮机的测试期间检测到的故障是否与发动机的性能问题或者与发动机性能无关的一些其它异常有关。在一个性能条件下评估发动机的一个性能参数，以产生第一组当前发动机数据，然后将其与第一组之前的发动机数据比较，以确定是否存在异常。
[0011]EP 2 175 336 Al描述了为了保持最令人满意的性能，用于在整个时间期间监测燃气涡轮机性能以及补偿在扩展运行期间遭受的退化的方法。
[0012]EP 2 249 004 A2描述了自动控制燃气涡轮机的推力输出，以补偿在整个期间可能发生的退化的方法和系统。
[0013]EP 2 175 336 Al and EP 2 249 004 A2的每一个公开了预测模型，其基于发动机进气条件和参考参数，例如燃料输入，计算可以由标准或参考发动机获得的性能。来自运行发动机的测量值与来自模型的等效预测参数比较，并作为调节一个或多个控制参数的基础，例如燃料系统增益或者压力比例限制等。
【发明内容】
[0014]本发明的一个目的可以是提供在实时条件下的工业燃气涡轮机的自动测试。
[0015]本发明是测试燃气涡轮机的方法，通常在交付给客户之前，并可以用闭环控制自动执行，以得到目标性能参数，例如电力输出、燃料消耗或者排放。本方法给出了运行中的发动机的测量值的分析模型，其计算不能直接测得的热力学参数，例如燃烧室出口温度或者标准化速度(N/根(进气温度))。然后反馈这些参数至控制器或控制设备，当它们在闭环中使用时，用于设置发动机测试运行点，以给出在预定测试序列中的指定值的这些参数值。
[0016]可以通过燃气轮机系统和根据独立权利要求运行燃气轮机系统的方法来达到该目的。
[0017]根据本发明的第一方面，提出了一种燃气轮机系统。燃气轮机系统包括用于发电的燃气涡轮机、用于控制燃气涡轮机的控制单元、传感器设备、比较单元和包括热力学模型单元和测试序列单元的数据采集系统。
[0018]传感器设备耦合到燃气涡轮机，用于测量燃气涡轮机的性能参数。
[0019]热力学模型单元基于燃气涡轮机的机械模型和燃气涡轮机的热力学模型产生计算性能参数。
[0020]测试序列本身可以由有资格的人员或者测试序列单元设计并由有资格的人员输入至控制单元。测试序列数据包括设置点运行数据和时间表数据，燃气涡轮机的测试循环可利用测试序列数据运行。
[0021]数据采集系统基于测试序列数据产生测试控制数据。数据采集系统耦合到控制单元，以提供测试控制数据至控制单元，使得燃气涡轮机测试控制数据是可控制的。
[0022]比较单元耦合到数据采集系统，使得由传感器设备测得的测量性能参数能在测试循环期间或测试循环终止之后与计算性能参数比较。
[0023]例如，燃气涡轮机包括压缩区、燃烧区和涡轮区。通过运行燃气涡轮机，例如，产生可以用于运行用于产生电功率的发电机的(机械)功率。
[0024]为了控制燃气涡轮机，安装了控制单元。例如，控制单元可以控制燃料阀，用于控制燃料注入燃气涡轮机的燃烧区。
[0025]进一步地，用于制动燃气涡轮机的轴的制动单元可以耦合到燃气涡轮机，例如，为了从燃气轮机吸取能量。例如，控制单元可以控制制动单元，用于控制燃气涡轮机的轴的转速，以及因此因此直接或间接地控制流过燃气涡轮机的流体质量。为了设置燃气涡轮机的运行点，除了轴的转速外，控制单元可以控制制动负载。
[0026]为了正确运行燃气涡轮机，并且为了控制和测试燃气涡轮机，数据采集系统用于收集具体参数的所有必需数据。例如，数据采集系统包括热力学模型单元和测试序列单元。
[0027]传感器设备耦合至燃气涡轮机，用于测量运行参数或者用于测量性能参数。传感器设备包括，例如温度传感器、压力传感器、氧气传感器、速度传感器或者用于测量预期参数的任何其它合适的传感器。
[0028]运行参数定义输入至燃气涡轮机的参数，用于运行燃气涡轮机。例如，运行参数是燃料数量、空气流量的质量流量或者由燃气涡轮机放出的放气的量。
[0029]当燃气涡轮机在运行参数下运行时，测量性能参数定义由燃气涡轮机输出的参数。例如，测量性能参数分别是燃气涡轮机的温度(例如，燃气涡轮机的预定位置，例如燃烧区或涡轮区)、在燃气涡轮机的特定位置的压力、燃气涡轮机的排放、燃料消耗和/或燃气涡轮机的负载。
[0030]例如，热力学模型单元包括存储器，其中存储有燃气涡轮机的机械模型(模拟)和燃气涡轮机的热力学模型(模拟)的数据。
[0031]例如，燃气涡轮机的机械模型是包括燃气涡轮机的相同尺寸和几何约束的模型，使得机械模型的模拟是可能的。
[0032]相应地，热力学模型包括具体燃气涡轮机的具体运行条件的数据。例如，热力学模型基于特定输入(例如，运行)参数计算具体输出(性能)参数，以此模拟燃气涡轮机的运行。例如，作为输入值，燃料的数量、输入的空气的数量和放出的空气的数量是预定义的，使得热力学模型可以计算(例如，考虑机械模型时)理论模拟性能参数，例如温