工业燃气涡轮机中的健康状况参数的估计的制作方法

工业燃气涡轮机中的健康状况参数的估计的制作方法
【专利摘要】工业燃气涡轮机中的健康状况参数的估计。本发明涉及一种用于确定燃气涡轮机(100)的至少一个部件(101，102，103，104，105)的健康状况参数、特别是容量或效率参数的偏差值的方法。根据方法，测量在部件(101，102，103，104，105)的测量点处的压力值和温度值。在部件(101，102，103，104，105)的预定压力校正因子的基础上确定校正压力值。在部件(101，102，103，104，105)的预定温度校正因子的基础上确定校正温度值。在校正压力值、校正温度值和例如测得的轴速度的基础上确定部件(101，102，103，104，105)的健康状况参数的估计实际值。确定在至少一个预定输入参数的基础上预测的部件(101，102，103，104，105)的健康状况参数的标称值。最后，通过将估计实际值与标称值进行比较来确定健康状况参数的偏差值。
【专利说明】
工业燃气涡轮机中的健康状况参数的估计
技术领域
[0001] 本发明涉及用于确定燃气涡轮机的至少一个部件的健康状况参数的偏差值的方 法。此外，本发明涉及用于燃气涡轮机的控制单元。
【背景技术】
[0002] 工业燃气涡轮机包括用于监测和控制燃气涡轮机的多个传感器。不是所有的发动 机参数都可以被测量或者他们可能仅以降低的精度进行测量。估计出对于不同发动机部件 的诸如效率和流动容量(所谓的健康状况参数)等的非测量参数的设计方法输出典型地被 用于燃气涡轮发动机的健康状况监测。
[0003] 对于健康状况参数的变化存在有很多原因。例如，健康状况参数的偏差发现在新 建成的发动机中由制造和组装变化引起。另一方面，超过操作的寿命，燃气涡轮机部件会经 受一定量的劣化并且该劣化可能是逐渐的或者是突然的。
[0004] 已知的劣化机制中的一些劣化机制是密封和二次流动泄漏、间隙增加、侵蚀和污 垢。虽然燃气涡轮机健康状况劣化是作为使用的结果在所有发动机中出现的正常老化过 程，但诸如异物损伤等的突然的异常事件是不可预测的，因为它们非预期地发生。
[0005] 在过去已设计出用于监测燃气涡轮机的性能和健康状况参数的各种方法。这些方 法能够提供诸如发动机故障或发动机劣化的检测等的诊断信息，并且提供诸如直到要求维 修程序为止发动机可以操作的时间等的预报信息。
[0006] US 2007/214796 A公开了一种用于监测燃烧动态感测系统的健康状况的方法和 系统。燃气涡轮发动机的环筒型燃烧装置的至少两个燃烧装置筒的各个动态状况用与筒中 的每一个相关联的各个动态状况传感器来监测。方法还包括在各个动态状况之间建立基线 关系并接着识别出指示了由与筒中的至少一个相关联的动态状况传感器提供的降级信号 质量与基线关系的方差。
[0007] US 4,215,412 A公开一种实时燃气涡轮发动机监测系统，其包括利用一组标量系 数和各种发动机操作参数的当前值来预测一组发动机性能参数的当前值的数字处理器。监 测这些性能参数的实际值并且与预测值进行比较以将偏差或误差信号供给至监测逻辑，监 测逻辑提供在数字处理器内、在提供被监测的性能参数的实际值的传感器单元内并且在燃 气涡轮发动机内故障的指示。另外，偏差信号在数字处理器单元内被利用以确定各被监测 的发动机参数的临时特性的依赖于时间的二次估计。
[0008] US 6,466,858 A公开并且描述了一种用于燃气涡轮发动机的基于模型的趋势处 理，其从发动机传感器数据和环境飞行条件数据实时地生成发动机趋势参数以评价发动机 状况。发动机包括响应于发动机操作的多个传感器。趋势处理使用被联接至发动机以监测 发动机操作并具有期望的处理速度和容量的市售处理器来实施。在用于部件诊断和故障检 测与隔离的模型中估计和调整发动机健康状况参数。
[0009] US 6,892，127 A公开并且提供了一种用于评价对机器部件造成的损伤的方法和 设备。方法包括:基于第一参数值指标计算出预期参数值;基于第二参数值指标计算出实际 参数值的估计，第二参数值指标不同于第一参数值指标;确定计算出的预期参数值是否与 计算出的实际参数值估计的差别大于预定的限制;和基于比较的结果生成损伤旗标。
[0010] US 8,050,843 A公开了一种真正的健康状况估计或者使用真正健康状况的估计 的在时间步骤处的独立参数矢量或者作为用于在时间步骤处的预测的健康状况参数矢量 的产生的起始值的在前一时间步骤处的参数矢量。基于后者和系统的扩展模型的输入变量 的一组测得值，产生模型的输出变量的预测。将该预测的模型输出与输出变量的测得值进 行比较以产生误差。从该误差，健康状况参数估计器进而产生健康状况参数估计作为预测 的健康状况参数的修订。
[0011] DE 40 23 663 A1公开了一种诊断方法。在瞬态记录器中对产生自机器的转动零 件的振动信号进行测量、预过滤和数字化。通过频率变换在频率范围内对它们进行评价。获 得至少一个特性值，该值代表谐波频率的值与基频在预定周期内的关系。信号处理器限制 频带并例如通过快速傅里叶变换计算出频率函数。

【发明内容】

[0012] 目标是可以提供一种估计燃气涡轮机健康状况参数的动态行为的设计方法，使得 以该方式能够实现在燃气涡轮机的稳定状态和瞬态操作条件下的性能诊断。
[0013] 该目的可以通过根据独立权利要求所限定的一种确定燃气涡轮机的至少一个部 件的操作参数的偏差值的方法和控制单元来解决。
[0014] 根据本发明的第一方面，呈现一种用于确定燃气涡轮机的至少一个部件的健康状 况参数的偏差值的方法。根据方法测量在部件的测量点处的压力值和温度值。测量在部件 的测量点处的压力值和温度值。在部件的预定压力校正因子的基础上确定校正压力值。在 部件的预定温度校正因子的基础上确定校正温度值。在校正压力值和校正温度值和/或例 如轴速度的基础上确定部件的健康状况参数（例如，效率和/或容量参数）的估计实际（例 如，效率和/或容量)值。
[0015] 在至少一个预定输入参数的基础上预测部件的健康状况参数的标称(例如，效率 和/或容量)值。
[0016] 通过将健康状况参数的估计实际（例如，效率和/或容量)值与健康状况参数的标 称(例如，效率和/或容量)值进行比较来确定健康状况参数的（例如，效率和/或容量)偏差 值。
[0017] 根据本发明的进一步的方面，呈现一种用于燃气涡轮机的控制单元，其中控制单 元适于使得能执行上述方法。
[0018] 燃气涡轮机的部件可以例如是压气机、燃烧装置、压气机涡轮和动力涡轮。此外部 件也可以表示连接两个部件的交互管（interduct)零件/部件。
[0019] 参数效率和容量也称作部件的健康状况参数，因为部件的效率和容量可以指示部 件的状况/健康状况(损伤、磨损等）。
[0020] 估计实际（例如，效率或容量)值表示基于在部件的测量点/站处的部件的压力和 温度的校正测量值和例如部件的轴速度的效率η和/或容量r。温度可以限定在测量点处的 工作流体或部件部分的温度。因此，估计实际值是基于部件的真实可测的实际值。
[0021] 下面给出用于估计实际效率值和估计实际容量值的示例性计算。
[0022]标称(例如，效率或容量)值是基于被输入部件内的预定输入参数(诸如燃料输入、 期望的输出动力等）。标称(例如，效率或容量)值是基于对于例如压力和温度的理论值，如 果部件被以预定输入参数驱动时理论值理论上存在。因此，例如对于压力和温度的理论值 是基于输入参数(即，性能参数）。
[0023]输入参数例如是进入燃气涡轮机内的燃料输入、注入或从燃气涡轮机或各个部件 排放的工作流体的质量流、燃气涡轮机或各个部件的期望的输出动力等。对于燃气涡轮机 的部件来说，理论上是已知的，该温度、压力和/或轴速度分别是在对于燃气涡轮机和部件 的期望的操作状态的特定入口参数的基础上在部件的测量点处存在。
[0024] 标称(例如，效率或容量)值和温度、压力和/或轴速度分别可以从实时模型/模拟 或从燃气涡轮机或部件的原型的实验室试验导出。
[0025] 通过将估计实际（例如，效率或容量)值与标称(例如，效率或容量)值进行比较来 确定(例如，效率或容量)偏差值。（例如，效率或容量)偏差值指示了在理论标称(例如，效率 或容量)值(对于新的且干净的发动机)与基于分别在燃气涡轮机和部件的操作状态中的物 理测量的估计实际(例如，效率或容量)值之间的偏差。
[0026] 通过本发明的途径，可以通过将估计实际效率(和/或容量)值与标称效率(和/或 容量)值进行比较来确定部件的效率和/或容量的偏差值。
[0027] 总之，在燃气涡轮机的操作期间的测量的帮助下确定工业燃气涡轮机的健康状况 参数(即，估计实际效率或容量）。诸如压力、温度和转动速度等的测得的变量被用于估计出 对于效率和容量的计算出的变量。除了健康状况参数之外，这些非测量变量典型地包括:难 以测量\测量不实际的估计生成动力、估计压力和估计温度，诸如高压涡轮机入口温度。估 计健康状况参数通常用发动机部件的估计实际效率和(流动)容量来代表。当它们从其正常 健康状况的状况（即，标称效率或容量值)偏离时，由各部件传送的性能降级，并且这可以视 为部件特性上的偏移。一般地讲，对于发动机性能偏离可以认为有两个主要原因：发动机与 发动机的差异，和发动机劣化。根据本发明的方法涉及用于工业燃气涡轮机中的用于监测 在稳定状态和过渡条件下操作燃气涡轮发动机的健康状况的非测量\健康状况参数的估计 的方法。
[0028] 根据所描述的方法，实现了在燃气涡轮机气体路径中在各站(在特定部件处的测 量点)处的压力和温度测量。如果燃气涡轮机是双轴燃气涡轮机，也可以考虑气体发生器的 部件和动力涡轮轴的速度。
[0029] 在以下列表中，列出了对于特定部件的测得的轴速度、测得的温度值T和测得的压 力值P:
[0030]

[0031] 表 1
[0032] 根据本发明的进一步示例性实施例，通过确定在位于部件的测量点上游的上游站 处的上游压力值与位于部件的测量点下游的下游站处的下游压力值之间的比率来确定压 力校正因子。
[0033] 此外，根据本发明的进一步示例性实施例，通过确定在位于部件的测量点上游的 上游站处的上游温度值与位于部件的测量点下游的下游站处的下游温度值之间的比率来 确定温度校正因子。
[0034]校正温度和压力值可以被确定为在特定部件的上游入口处与下游出口处的各个 压力或温度值之间的算数平均。
[0035]因此，接着通过上述校正因子来校正在部件的测量点\站处的气体路径测量（压 力、温度）以代表在计算点\站处的压力或温度的值。
[0036] 例如，发动机仪表(传感器)提供例如交互管部件中的压力和温度的测量（即，表1 中的Pld、Tld)。发动机气体路径中的交互管部件位于例如压气机涡轮部件(CT)与动力涡轮 部件(PT)之间。在压气机涡轮的出口（为相对于交互管部件的位于上游的部件)处和在动力 涡轮的入口（为相对于交互管部件的位于下游的部件)处，通过用于相应测量(压力、温度） 的各个校正因子的使用来实现压力和温度的各个校正测量。因此，对交互管部件中的测量 点处的测得的压力值和温度值进行校正以考虑压气机涡轮(CT)出口和动力涡轮(PT)入口 位置失配。
[0037] 也可以以其他方式对于其他部件计算出校正因子。例如，如果部件是压气机涡轮 (CT)，则诸如涡轮入口温度(TIT)等的一些参数的测量是非常困难且不实际的，因为在压气 机涡轮的入口处的极高的温度。因此，TIT计算是基于用于气体发生器(压气机和CT)的能量 平衡，并且使用在不同燃气涡轮机位置处的测量来计算：
[0038] TIT = Tid+KxiT(Tcd-Tin)；
[0039] 其中：
[0040] Tid =压气机涡轮部件的入口的上游的交互管部件内的交互管温度；
[00411 KTIT =预定的校正因子。
[0042]在以下表2中，列出了对于燃气涡轮机的特定部件和校正因子α的校正温度值和压 力值测量。表1中示出的以上测量可以被用于将对应于不同部件的燃气涡轮机校正测量合 成：
[0043]

[0044] 表2燃气涡轮机校正测量
[0045] 其中：
[0046] CT =压气机涡轮部件;和 [0047] PT =动力涡轮部件。
[0048]在燃气涡轮机站的不同部件处的校正测量(温度、压力)值(例如见表2中）现在被 用于计算出估计值/健康状况参数。计算可以例如对于两组参数、即部件的效率和容量同时 执行。对于燃气涡轮机的特定部件的示例性估计效率和容量参数被列在表3中：
[0049]
[0050]
[0051] 表 3
[0052] 如可以从表3得到的，第一组选择的健康状况参数描述了部件估计实际效率。以下 部件效率可以通过在下面示例性地描述的各种公式依赖于特定部件计算出。多变效率 (polytrophic efficiency)的计算被用于代表以下部件的效率：
[0053] 压气机多变效率：
[0055] 压气机涡轮多变效率：
[0054] (1 )
[0056]
_' .... ( 2 )
[0057] 动力涡轮多变效率：
[0058] -- (3：)
[0059] 其中用于工作流体(流过部件的空气和热气体）的比热的比率用如下多项式关系 限定：
[0060] γ = γ 〇+ γ ιΤ+ γ 2Τ2+ γ 3Τ3+ γ 4Τ4 (4)
[0061] 诸如对于压气机涡轮和动力涡轮等的对于其他部件的效率分别通过使用以上列 出的公式计算出。
[0062] 根据本发明的进一步示例性实施例，测量部件的转动轴的轴速度。提供基于预定 部件输入参数的标称部件容量值。标称容量值是基于例如对于压力、温度和速度的理论值， 如果部件被以预定输入参数驱动时，理论上存在的理论值。在校正压力值、校正温度值和轴 速度的基础上确定部件的估计实际容量值。通过将估计实际容量值与标称容量值进行比较 来确定容量偏差值。
[0063] 如可以从表3中得到的，第二组选择的健康状况参数描述了燃气轮机的动力涡轮 部件的部件估计实际容量和动力。动力涡轮的以下部件容量和动力可以通过下面示例性描 述的各种公式计算出。估计容量参数另外需要表2中列出的校正气体路径测量(温度、压 力）、例如燃气涡轮机的轴速度。在燃气涡轮机包括双轴实施例、即气体发生器部件和动力 涡轮部件的情况中，测得的气体发生器轴速度和动力涡轮轴速度被用作附加的输入参数。 因此，在允许发明方法捕获选择的燃气涡轮机健康状况参数、即估计容量的动态行为的计 算过程中可能会牵涉到气体发生器轴和动力涡轮轴的测得的速度和加速度。
[0064] 以下容量通过例如用于以下部件的方法估计出：压气机容量、压气机涡轮容量和 燃烧装置容量。这些容量可以通过以下等式计算出：
[0065] 压气机容量：
[0067]压气机涡轮容量：
[0066] (5 )
[0068]
[0070] s-?-( 6 )[0069] 燃烧装置容量：
-rrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrr. ( J )[0071] 其中动力涡轮容量： 剛
m
[0073] 从预定部件特性推论出。
[0074] 参照附图更详细地描述特别是容量的计算。
[0075] 必须注意的是，发明的实施例是参照不同主题描述的。特别地，一些实施例是参照 方法类型权利要求描述的，而其他实施例是参照设备类型权利要求描述的。然而，本领域技 术人员将从以上和以下描述中收集到：除非另有指出，除了属于一个类型的主题的特征的 任何组合之外，涉及不同主题的特征之间、特别是在方法类型权利要求的特征与设备类型 权利要求的特征之间的任何组合也被视为用该申请公开。
【附图说明】
[0076] 以上限定的方面和本发明的进一步方面从将在下文中描述的实施例的示例而显 而易见并且参照实施例的示例进行说明。将在下文中参照实施例的示例更详细地描述，但 发明不限于实施例的示例。
[0077]图1示出燃气涡轮机的示意图；
[0078] 图2示出图1中所示的燃气涡轮机的压气机、燃烧装置和压气机涡轮的示意图；
[0079] 图3示出根据本发明的示例性实施例的燃气涡轮机的控制系统的示意图；
[0080] 图4示出根据本发明的示例性实施例的方法步骤的示意图；
[0081] 图5示出图1中的燃气涡轮机的示意图，其中示出了排泄流体流;和
[0082] 图6示出根据本发明的示例性实施例的示例性算法的示意图。
【具体实施方式】
[0083] 附图中的图示呈示意性形式。需要注意的是，在不同的图中，类似或同样的元件设 置有相同的附图标记。
[0084] 图1示出根据本发明的示例性实施例的燃气涡轮机100。燃气涡轮机100包括多个 燃气涡轮机部件101、102、103、104、105，在下面对它们进行描述。
[0085] 燃气涡轮机100包括适于生成加压的工作流体的气体发生器装置。气体发生器装 置包括压气机101、燃烧装置102和压气机涡轮103。诸如空气等的工作流体被注入压气机 101内。压气机101将工作流体加压。
[0086]图1中的箭头示出工作流体的流动方向。在压气机101的下游，燃料被注入燃烧装 置102内。工作流体、即工作流体的一部分与燃料混合并且被燃烧。燃烧装置102生成加压的 高能量工作流体，其驱动压气机涡轮103使得对应地生成机械能量，用于驱动压气机101。 [0087]热的加压的高能量工作流体被引导通过交互管（interduct) 105到动力涡轮104。 加压的热工作流体驱动动力涡轮104用于生成转矩。
[0088] 图2更详细地示意性地示出如图1中所示的燃气涡轮机100的压气机101、燃烧装置 102、压气机涡轮103、动力涡轮104和交互管105。
[0089] 术语上游和下游是指空气流动和/或工作气体流动通过发动机的流动方向，除非 另有规定。术语向前和向后是指气体通过发动机的大体流动。术语轴向、径向和周向是参照 发动机的转动轴线20做出的。
[0090] 燃气涡轮机100以流动顺序包括入口 12、压气机101、燃烧装置102和涡轮103,它们 大体以流动顺序布置并且大体在纵向或转动轴线20的方向上。燃气涡轮机100进一步包括 可围绕转动轴线20转动并且在纵向上穿过燃气涡轮机100延伸的轴22。轴22将涡轮103驱动 地连接至压气机101。
[0091] 在燃气涡轮机100的操作中，通过空气入口 12吸入的空气24由压气机100压缩并且 被传送至包括燃烧器部16的燃烧装置102。燃烧器部16包括燃烧器增压室26、由双壁筒27限 定的一个或多个燃烧室28和被固定至各燃烧室28的至少一个燃烧器30。燃烧室28和燃烧器 30位于燃烧器增压室26的内侧。通过了压气机12的压缩空气进入扩散器32并且被从扩散器 32排放到燃烧器增压室26内，空气的一部分从那里进入燃烧器30并且与气体或液体燃料混 合。空气/燃料混合物接着被燃烧并且来自燃烧的燃烧气体34或工作气体经由过渡管道35 被引导至涡轮103。
[0092]涡轮103包括被附接至轴22的多个叶片承载盘36。在本示例中，两个盘36均承载涡 轮叶片38的环形阵列。然而，叶片承载盘的数量可以不同，即仅一个盘或超过两个盘。另外， 被固定至燃气涡轮机100的定子42的引导翼片40被布置在涡轮叶片38之间。在燃烧室28的 出口与前涡轮叶片38之间设置了入口引导翼片44。
[0093]来自燃烧室28的燃烧气体进入涡轮103并驱动涡轮叶片38,进而使轴22转动。引导 翼片40、44用于优化燃烧或工作气体的到涡轮叶片38上的角度。压气机100包括引导翼片级 46和转子叶片级48的轴向系列。
[0094]图3示意性地示出用于控制燃气涡轮机100的控制系统301。控制系统301包括输入 单元306和控制单元307。可以通过输入单元306将期望的动力输出或输入值输入至控制单 元307。控制单元307在期望的输入值(为期望通过燃气涡轮机100来获得的）的基础上计算 出对于燃气涡轮机100的控制参数的各个值。控制参数可以例如是被注入燃气涡轮机100的 燃烧装置102内的燃料量。控制系统301被联接至燃气涡轮机100,使得燃气涡轮机100在控 制参数的基础上操作。
[0095]此外，控制参数可以被用于燃气涡轮机100的实时模型模拟。在控制参数的基础 上，实时模型模拟302计算出例如对于燃气涡轮机或燃气涡轮机100的各个部件101至105的 标称(例如，效率或容量)值(h pre3d)。
[0096]此外，健康状况参数估计单元303被联接至燃气涡轮机100,使得可以测量出在特 定部件101至105处的某个预定的测量点处的压力值、温度值和/或轴速度。
[0097]在对于温度、压力和/或轴速度的测得值的基础上，健康状况参数估计单元303计 算出各个部件1 〇 1至105的估计实际(例如，效率或容量)值(。
[0098]偏差值单元304被联接至实时模型单元302和健康状况参数估计单元303,用于接 收标称值(hpre3d)、即标称效率值和/或标称容量值，和估计实际值(hestm)、即估计实际效率值 和/或估计容量值。在标称效率值和/或标称容量值及估计实际效率值和/或估计容量值的 基础上，偏差值单元304计算出偏差值Δ h(例如，通过公式：Δ h = hpred-hestm)、即效率偏差值 和/或容量偏差值。
[0099]偏差值Δ h可以被提供用于被联接至偏差值单元304的诊断单元305。在偏差值Δ h 的基础上，可以进行诊断分析和预报分析以便估计出在燃气涡轮机100的稳定状态和过渡 操作条件下的燃气涡轮机健康状况的动态行为。
[0100]图4示出了示出根据本发明的示例性实施例的方法的主要步骤的流程图。根据方 法，测量出在部件101、102、103、104、105的测量点处的压力值、温度值和例如轴速度(见步 骤 401)。
[0101] 在部件101、102、103、104、105的预定压力校正因子的基础上确定出校正压力值。 在部件101、102、103、104、105的预定温度校正因子的基础上确定出校正温度值（见步骤 402) 〇
[0102]在校正压力值、校正温度值和例如轴速度的基础上确定出部件101、102、103、104、 105的估计实际(例如，效率或容量)值。确定出在至少一个预定输入参数的基础上预测的部 件101、102、103、104、105的标称(例如，效率或容量)值(见步骤403)。
[0103]最后，通过将估计实际(例如，效率或容量)值与标称(例如，效率或容量)值进行比 较确定出（例如，效率或容量)偏差值(η)(见步骤404)。
[0104] 在通过控制单元307计算出的至少一个预定输入参数的基础上预测部件101、102、 103、104、105的标称(例如，效率或容量)值。
[0105] 参数效率和容量被称作部件101、102、103、104、105的健康状况参数，因为部件的 效率和容量可以指示部件101、102、103、104、105的状况/健康状况(损伤、磨损等）。
[0106] 估计实际（例如，效率或容量)值分别表示部件的基于在部件101、102、103、104、 105的测量点处的压力和温度的校正测量值的效率或容量。温度可以限定在测量点处的工 作流体或部件101、102、103、104、105的温度。因此，估计实际效率值是基于部件101、102、 103、 104、105的真实可测的实际值。
[0107] 下面给出用于估计实际效率和容量值的示例性计算公式。
[0108] 标称(例如，效率或容量)值是基于通过例如输入单元306或控制单元307输入的预 定输入参数(诸如燃料输入、期望的输出动力等）。标称(例如，效率或容量)值是基于如下理 论值(例如对于压力和温度），如果部件101、102、103、104、105是以预定输入参数驱动时，理 论存在的理论值。因此，例如对于压力和温度的理论值是基于输入参数(即，性能参数）。
[0109] 输入参数例如是进入燃气涡轮机内的燃料输入、注入或从燃气涡轮机或各个部件 排放的工作流体的质量流、燃气涡轮机或各个部件的期望的输出动力等。对于燃气涡轮机 100的部件101、102、103、104、105来说，理论上是已知的，温度、压力和/或轴速度分别是在 对于燃气涡轮机和部件的期望的操作状态的特定入口参数的基础上在部件101、102、103、 104、 105的测量点处存在的。
[0110] 标称(例如，效率或容量)值和温度、压力和/或轴速度分别可以从实时模型/模拟 单元302或从燃气涡轮机100或部件101、102、103、104、105的原型的实验室试验导出。
[0111] 根据所描述的方法，实现了在燃气涡轮机气体路径中在各站（在特定部件101、 102、103、104、105处的测量点）处的压力和温度测量。如果燃气涡轮机100是双轴燃气涡轮 机，也可以考虑气体发生器的部件101、102、103、104、105和动力涡轮轴的速度。
[0112] 在以上表1中，列出了对于燃气涡轮机的特定部件101、102、103、104、105的测得温 度值T和测得压力值P。
[0113]压力校正因子通过确定在位于部件的测量点上游的上游测量站处的上游压力值 与在位于部件101、102、103、104、105的测量点下游的下游测量站处的下游压力值之间的比 率来确定。
[0114] 校正温度和压力值可以被确定为在特定部件101、102、103、104、105的上游入口处 与下游出口处的相应压力或温度值之间的算数平均。
[0115] 因此，接着通过上述校正因子来校正在部件101、102、103、104、105的测量点处的 气体路径测量(压力、温度）以代表在相应站处的压力或温度的值。
[0116] 例如，发动机仪表(传感器)提供例如交互管部件中的压力和温度的测量（即，表1 中的Pid、Tid)。发动机气体路径中的交互管部件105位于例如压气机涡轮部件(CT) 103与动 力涡轮部件(PT) 104之间。在压气机涡轮103(相对于交互管部件105是位于上游的部件）的 出口处和在动力涡轮104(相对于交互管部件105是位于下游的部件）的入口处，通过用于测 量(压力、温度)的各个校正因子的使用来实现压力和温度的相应测量。接下来，对交互管部 件105的测量点处的测得的压力值和温度值进行校正以考虑CT出口和PT入口位置失配。
[0117] 也可以以其他方式对其他部件计算出校正因子。例如，如果部件是压气机涡轮 (CT)103,则诸如涡轮入口温度(TIT)等的一些参数的测量是非常困难且不实际的，因为在 压气机涡轮103的入口处的极高的温度。因此，TIT使用在不同燃气涡轮机位置处的测量来 计算：
[0118] TIT = Tid+KxiT(Tcd-Tin)；
[0119] 在燃气涡轮机100的不同部件101、102、103、104、105处的校正测量(温度、压力)值 (例如见表2中）现在被用于计算出估计值/健康状况参数。计算可以例如对于两组参数、BP 部件的效率和容量同时执行。对于燃气涡轮机的特定部件的示例性估计效率和容量参数被 列在上面表3中。
[0120] 如可以从表3得到的，第一组选择的健康状况参数描述了部件101、102、103、104、 105的估计实际效率。以下部件效率可以通过在下面示例性地描述的各种公式依赖于特定 部件计算出。多变效率(polytropic efficiency)的计算被用于代表以下部件的效率η:
[0121] 压气机多变效率：
[0122] (1)
[0124]
[0123] 压气机涡轮多变效率：
-........;;;.......：. (2)
[0125] 动力涡轮多变效率：
[0126] - (3 )
[0127] 其中用于工作流体(流过部件的空气和热气体）的比热的比率用如下多项式关系 限定：
[0128] γ = γ 〇+ γ ιΤ+ γ 2Τ2+ γ 3Τ3+ γ 4Τ4 (4)
[0129] 诸如对于压气机涡轮101和动力涡轮104等的对于其他部件101、102、103、104、105 的效率分别通过使用以上列出的公式计算出。
[0130] 如可以从表3中得到的，第二组选择的健康状况参数描述了燃气轮机100的动力涡 轮部件104的部件估计实际容量Γ和动力。动力涡轮100的以下部件容量和动力可以通过下 面示例性描述的各种公式计算出。估计容量参数另外需要表2中列出的校正气体路径测量 (温度、压力）、例如燃气涡轮机的轴速度。在燃气涡轮机1〇〇包括双轴实施例、即气体发生器 部件和动力涡轮部件的情况中，测得的气体发生器轴速度和动力涡轮轴速度被用作附加的 输入参数。因此，在允许发明方法捕获选择的燃气涡轮机健康状况参数、即估计容量的动态 行为的计算过程中可能会牵涉到气体发生器轴和动力涡轮轴的测得的速度和加速度。
[0131] 以下容量Γ通过例如用于以下部件的方法估计出：压气机容量、压气机涡轮容量 和燃烧装置容量。这些容量可以通过以下等式计算出：
[0132] 压气机容量：
[0134] 压气机涡轮容量：
[0133] (5)
[0135]
- (6)[0136] 燃烧装置容量：
________________________________ ( 7、）[0138] 其中动力涡轮容量：
[0137] _] j
(S)
[0140] 从预定部件特性推论出。
[0141] 图5示出图1中的燃气涡轮机100的示意图，其中示出了空气流的分布。
[0142] 对于上述公式（5)、（6)和（7)的变量可以从下面描述的公式计算出。部件容量： Γ _b、Γ。_和Γ。*可以通过考虑流过各个部件的工作流体的质量流斑计算出。动力涡轮容 量和Γ pt从预定部件映射推断出，该映射用2D查找表代表。容量通常被以涡轮机压力比率和 涡轮机速度的函数描述。
[0143] 因此，图5中示出的排泄和冷却空气流(^必须如下面描述地考虑：
[0146] 部件容量乘数通过利用即燃烧装置质量流率比使部件质量流标准化来设计：
[0144]
[0145]
[0147]
[0148] 压气机容量乘数从对于气体发生器的质量的守恒导出：
[0149] (17)
[0150] 上面的方程式中的压气机涡轮(CT)冷却流动系数3。^。。。1被限定为：
[0151]
[0152] 其中qiR表在特定位置(见图5)排泄的空气的量，其中
[0153] ISBV =压气机（101)级间排泄阀，
[0154] B0V =安装在中心壳体处的排气/排泄阀，
[0155] BLEED =用于涡轮盘的密封并且还有冷却的高压空气排泄，
[0156] LEAK_BLEED =从BLEED (排泄)流的空气泄漏，和
[0157] REMIX_BLEED =用于CT部件的冷却的空气。
[0158] 压气机涡轮容量乘数从用于气体发生器的机械能量的守恒导出。
_一 (9)[0160] 在对于压气机和压气机涡轮容量乘数的以上方程式中，项A和B限定如下：
[0159]
[0161] (10)
[0162] 其中ngg和?分别是气体发生器速度和加速度。气体发生器轴损耗用损耗系数 Lgg_i〇ss和气体发生器转动惯量的Igg代表。在稳定状态()中，项A简化为：
[0163] ? ·
… 〇[0164] 项B被表达为对于压气机和压气机涡轮部件的比功的比率：
[0165] (11)
[0166] 对于工作流体(空气和热气体)的比热可以通过如下四阶多项式关系式来限定：
[0167] CP = CPo (CPi+CP2T+CP3T2+CP4T 3+Cp5T4)
[0168] 并因此对于工作流体的比功可以通过将用于比热的表达式在给定温度范围内积 分来得到：
[0169] 对于作为工作流体的空气的压气机比功：
[0170] /Cp_compdT
[0171 ]对于作为工作流体的热气体的涡轮比功：
[0172] /CP_tdT
[0173] 将部件容量Γ>(动力涡轮容量)和r_b(燃烧装置容量)导少
勾，动 力涡轮容量乘数可以表达如下：
[0174]
(12)
[0175] 其中PT容量从如下PT容量部件映射推断出：
[0176]
[0177] 通过使用确定出的动力涡轮容量乘数Mpt并利用对于动力涡轮(PT)轴的机械能量 的守恒，用于PT轴动力的表达式可以被表达为：
[0179] 在用于动力涡轮(PT)轴动力的以上表达式中，项C和D被限定如下：
[0178] (13 )
[0180]
[0181] 其中npt和力辦分别是动力涡轮(PT)轴速度和加速度。动力涡轮轴损耗用损耗系数 Lptjoss和PT轴转动惯量的Ipt代表。
[0182] 在稳定状态（？ipt=0 )中，项C简化β
卜因此可以使用在稳定状 态中用于ΡΤ轴动力的以下表达式：
[0183]
[0184] 如上所述，通过使用先前确定出的容量乘数，压气机和压气机涡轮容量 可以表达如下：
[0185] 压气机容量
[0187] 压气机涡轮容量
[0186] (5)
[0188](6 )
[0189] 为了计算出燃烧装置容量并且使得该值可用于下一计算时间步骤（图），可以使用 对于动力涡轮部件的质量的守恒：
[0190] (7)
[0191] 以上表达式中的压气机涡轮(CT)和动力涡轮(PT)冷却\再混空气流动可以被 确定为：
[0192]
[0193] PT再混和冷却流动系数被限定为：
[0194] 一 PT再混流动：δ pt_remix =(l-qiSBV) ( l-qB0V)qBLEED( l-qLEAK-BLEED)qREMIX-BLEED
[0195] -PT冷却流动：3pt-CC)C)i = qisBV( l-qLEAK-isbv) (l-qREMix-isbv)
[0196] 其中qi代表在特定位置（ISBV-级间排泄阀，BOV-排气阀等[图1 ])被排泄的空气 的量：
[0197] ISBV =压气机级间排泄阀，
[0198] B0V =安装在中心壳体处的排气/排泄阀，
[0199] BLEED =用于涡轮盘的密封并且还有冷却的高压空气排泄，
[0200] LEAK_BLEED =从BLEED (排泄）流的空气泄漏，
[0201] REMIX_BLEED =用于CT部件的冷却的空气，
[0202] LEAK_ISBV =从压气机级间排泄阀流的空气泄漏，和
[0203] REMIX_ISBV =用于PT密封的空气。
[0204]在图6中，示出了根据本发明的示例性实施例的示例性算法的示意图。
[0205]特别地，示出了与上述公式的相互作用。在图6中概述了部件容量和PT中动力的估 计是递归计算并且在前一时间步骤中计算出的燃烧装置容量的值可以被考虑。图6中的数 字表示上述公式的编号。
[0206] 因此通过发明方法计算出的（例如，效率或容量)偏差值可以与在通过发明方法的 前一确定步骤中确定出的另一(例如，效率或容量)偏差值进行比较，以便确定(例如，效率 或容量)偏差值随时间的变化。
[0207] 在各时间步骤的结束时，所有估计参数被更新并可用于进一步的动作\决策。
[0208] 应该注意的是术语"包括"不排除其他元件或步骤并且"一"或"一个"不排除多个。 还有与不同实施例相关联地描述的元件可以被组合。还应该注意的是权利要求中的附图标 记不应该被解释为限制权利要求的范围。
[0209] 附图标记：
[0210] 12 入口
[0211] 16燃烧器部
[0212] 20燃气涡轮机的转动轴线
[0213] 22 轴
[0214] 24 空气
[0215] 26燃烧器增压室
[0216] 27 双壁筒
[0217] 28燃烧室
[0218] 30燃烧器
[0219] 32扩散器
[0220] 34燃烧气体
[0221] 35过渡导管
[0222] 36叶片承载盘
[0223] 38涡轮叶片
[0224] 40引导翼片
[0225] 42 定子 42
[0226] 44入口引导翼片
[0227] 46引导翼片级
[0228] 48转子叶片级
[0229] 100燃气涡轮机
[0230] 101压气机
[0231] 102燃烧装置
[0232] 103压气机涡轮
[0233] 104动力涡轮
[0234] 105交互管
[0235] 301控制系统
[0236] 302实时模型单元
[0237] 303健康状况参数估计单元
[0238] 304偏差值单元
[0239] 305诊断单元
[0240] 306输入单元
[0241] 307控制单元
[0242] 401测量值
[0243] 402确定校正值
[0244] 403确定估计实际值
[0245] 404确定偏差值
【主权项】
1. 一种用于确定燃气涡轮机（100)的至少一个部件（101，102,103,104,105)的健康状 况参数的偏差值的方法，所述方法包括： 测量在所述部件（101，102，103，104，105)的测量点处的压力值和温度值， 在所述部件（101，102，103，104，105)的预定压力校正因子的基础上确定校正压力值， 在所述部件（101，102，103，104，105)的预定温度校正因子的基础上确定校正温度值， 至少在所述校正压力值和所述校正温度值的基础上确定所述部件（101，102,103,104， 105)的所述健康状况参数的估计实际值， 提供在至少一个预定输入参数的基础上预测的所述部件（101，102,103,104,105)的所 述健康状况参数的标称值， 通过将所述健康状况参数的所述估计实际值与所述健康状况参数的所述标称值进行 比较来确定偏差值。2. 根据权利要求1所述的方法， 其中所述健康状况参数的所述标称值通过所述燃气涡轮机（100)的实时模型或所述燃 气涡轮机(100)的实验室试验来确定。3. 根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括 通过确定在位于所述部件（101，102，103，104，105)的所述测量点上游的上游站处的上 游压力值与位于所述部件（101，102，103，104，105)的所述测量点下游的下游站处的下游压 力值之间的比率，来确定所述压力校正因子。4. 根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，进一步包括 通过确定在位于所述部件（101，102，103，104，105)的所述测量点上游的上游站处的上 游温度值与位于所述部件（101，102，103，104，105)的所述测量点下游的下游站处的下游温 度值之间的比率，来确定所述温度校正因子。5. 根据权利要求1至4中的任一项所述的方法， 其中所述健康状况参数是效率参数和/或容量参数。6. 根据权利要求5所述的方法，进一步包括 测量所述部件（101，102，103，104，105)的转动轴的轴速度， 提供所述部件（101，102,103,104,105)的所述容量参数的标称容量值，所述标称容量 值针对用于所述压力、温度和轴速度的标称值被预测，如果所述部件被以所述预定输入参 数驱动，所述标称容量值理论上存在。 在所述校正压力值、所述校正温度值和所述轴速度的基础上确定所述部件（101，102， 103，104，105)的所述容量参数的估计实际容量值，以及 通过将所述估计实际容量值与所述标称容量值进行比较，来确定形成所述偏差值的容 量偏差值。7. 根据权利要求6所述的方法，进一步包括 将所述容量参数的所述容量偏差值与在前一确定步骤中所确定出的所述容量参数的 另一容量偏差值进行比较，以便确定所述容量偏差值随时间的变化。8. 根据权利要求5至7中的任一项所述的方法，进一步包括 将所述效率参数的所述效率偏差值与在前一确定步骤中所确定出的所述效率参数的 另一效率偏差值进行比较，以便确定所述效率偏差值随时间的变化。9. 根据权利要求1至8中的任一项所述的方法，进一步包括 测量在另一部件（101，102,103,104,105)的另一测量点处的另一压力值和另一温度 值， 在所述另一部件（101，102,103,104,105)的另一预定压力校正因子的基础上确定另一 校正压力值， 在所述另一部件（101，102,103,104,105)的另一预定温度校正因子的基础上确定另一 校正温度值， 在所述另一校正压力值、所述另一校正温度值和进一步测量的轴速度的基础上确定所 述另一部件（101，102,103,104,105)的所述健康状况参数的另一估计实际值， 提供在至少一个另一预定输入参数的基础上预测的所述另一部件（101，102，103,104， 105)的所述健康状况参数的另一标称值， 通过将所述另一估计实际值与所述另一标称值进行比较来确定另一偏差值。10. -种用于燃气涡轮机(100)的控制单元，其中所述控制单元适于使得根据权利要求 1至9中的一项所述的方法能执行。
【文档编号】G05B23/02GK105980945SQ201580007333
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2015年1月9日
【发明人】V·帕诺维
【申请人】西门子股份公司