BR112014001652B1 - Método com base em computador para determinar uma expectativa de vida residual de um rotor de uma turbina a gás - Google Patents

Abstract

método com base em computador para determinar uma expectativa de vida residual de um rotor de uma turbina a gás e dispositivo configurado para determinar uma expectativa de vida residual de um componente de turbina a gás a presente invenção referem-se, geralmente, a métodos e sistemas e, mais particularmente, a mecanismos e técnicas para a previsão e otimização da vida útil de uma turbina a gás ou de componentes dessa. o método com base em computador para determinar uma expectativa de vida residual de um rotor de uma turbina a gás compreende receber condições de operação da turbina a gás no computador (500); receber um resultado de inspeção de rotor de turbina a gás (502); atualizar, com base nas condições de operação da turbina a gás e no resultado de inspeção de rotor de turbina a gás, uma base de dados para uma frota de classe de turbina a gás que tem um conjunto de características comuns que corresponde à turbina a gás (504); e calcular a expectativa de vida residual do rotor da turbina a gás e um risco associado ao prolongamento de vida útil (506).

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se, geralmente, a métodos e sistemas e, mais particularmente, a mecanismos e técnicas para a previsão e otimização da vida útil de uma turbina a gás ou de componentes dessa.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] A Figura 1, que é similar à Figura 1 da publicação do pedido de patente n° U.S.2008/0243352 (incorporada no presente documento por referência), ilustra um exemplo de uma turbina a gás 10 que tem um compressor 12, um combustor 14, uma turbina 16 acoplada ao compressor 12 e um sistema de controle de computador (controlador) 18. Um duto de entrada 20 para o compressor 12 pode alimentar o compressor 12 com ar ambiente. O duto de entrada 20 pode ter dutos, filtros, telas e dispositivos de redução de ruído que contribuem para uma perda de pressão de ar ambiente que flui através da entrada 20 e para o interior de aletas guia de entrada 21 do compressor 12. Um duto de escapamento 22 para a turbina direciona os gases de combustão a partir da saída da turbina 10 através de, por exemplo, dispositivos de controle de emissão e de redução de ruído. A turbina 10 pode acionar um gerador 24 que produz energia elétrica. Alternativamente, sempre que a turbina for um dispositivo de dois eixos (por exemplo, que inclui uma turbina de alta pressão e uma turbina de baixa pressão), a turbina de baixa pressão, que pode girar em uma velocidade diferente do rotor de alta pressão, pode acionar uma máquina mais genérica como um compressor ou mesmo um gerador.

[003] A operação da turbina a gás 10 pode ser monitorada por vários sensores 26 designados para medir diferentes variáveis relacionadas ao desempenho da turbina 10, do gerador e do meio ambiente. Por exemplo, grupos de sensores de temperatura redundantes 26 podem monitorar a temperatura ambiente que circunda a turbina a gás 10, temperatura de descarga do compressor, temperatura de escapamento de gás da turbina e outras medições de temperatura da corrente de gás através da turbina a gás 10. Similarmente, grupos de sensores de pressão redundantes 26 podem monitorar a pressão ambiente e níveis de pressão estática e dinâmica no escapamento de turbina da entrada e saída do compressor em outras localizações na corrente de gás através da turbina a gás 10. Os grupos de sensores de umidade redundantes 26, por exemplo, termômetros de bulbo úmido e seco, podem medir a umidade ambiente no duto de entrada do compressor 12. Os grupos de sensores redundantes 26 podem incluir, também, sensores de fluxo, sensores de velocidade, sensores de detecção de chamas, sensores de posição de válvula, sensores de ângulo de aleta guia ou similares, que captam vários parâmetros pertinentes à operação da turbina a gás 10. Conforme usado no presente documento, "parâmetros" se referem a itens que podem ser usados para definir as condições de operação da turbina, como temperaturas, pressões e fluxos de gás em localizações definidas na turbina, mas sem se limitar a essas condições supracitadas.

[004] Também, o sistema de controle de combustível 28 regula o combustível que flui desde um abastecimento de combustível até o combustor 14, uma ou mais divisões entre o combustível que flui para o interior de um primário e um secundário bocais de combustível e a quantidade de combustível misturado com ar secundário que flui para o interior de uma câmara de combustão. O sistema de controle de combustível 28 pode também selecionar o tipo de combustível para o combustor. O sistema de controle de combustível 28 pode ser uma unidade separada ou pode ser um componente do controlador principal 18. O controlador 18 pode ser um sistema de computador que tem ao menos um processador que executa programas e operações para controlar a operação da turbina a gás que usa entradas de sensor e instruções de operadores humanos. Os comandos gerados pelo controlador 18 podem induzir atuadores na turbina a gás a, por exemplo, ajustar válvulas (atuador 27) entre o abastecimento de combustível e combustores que regulam o fluxo, as divisões de combustível e o tipo de combustível que fluem para os combustores; ajustar aletas guia de entrada 21 (atuador 29) no compressor; ajustar calor de vazamento de entrada; assim como ativar outras configurações de controle na turbina a gás.

[005] A turbina pode ter uma aplicação ampla no campo de petróleo e gás. Ou seja, a mesma pode acionar compressores nos oleodutos, assim como pode acionar, ainda, compressores a bombear petróleo ou gás natural a partir de poços. Uma qualidade crítica importante (QCI) para companhias de petróleo e gás é a disponibilidade de suas usinas para, então, maximizar a produção. Para minimizar o fechamento ou interrupção da usina, partes do núcleo da usina, como a turbina a gás, são substituídas/mantidas de maneira ideal apenas quando sua probabilidade de falha tem um impacto substancial na segurança da usina. Outra QCI importante é o custo de manutenção, que deve ser minimizado sempre que possível.

[006] Para aperfeiçoar essas e outras QCIs, várias entidades têm lançado iniciativas de expectativa de vida como CBM (condições baseadas em manutenção) e GVD (gerenciamento de vida útil de rotor). Algumas técnicas contam apenas com inspeções ópticas para a medição de comprimentos de fenda para desenvolver uma distribuição estatística de comprimentos de fenda. Essa distribuição estatística é usada para estimar a expectativa de vida do equipamento. Outra técnica envolve a inspeção de um componente para danos ou deterioração (por exemplo, micro fendas), formação de um modelo estrutural de dispositivo, configuração de uma futura condição de uso para o dispositivo e simulação de um avanço de danos ou deterioração. Outra abordagem é estimar danos de propagação através de uma expressão que inclui uma expressão de Larson-Miller e, então, realizar a análise estatística (por exemplo, análise estatística de Weibull) para estimar futuros danos de propagação. Aqui, um parâmetro de estimação com base em uma contagem inicial de equipamento e tensão térmica é calculado com base em um modelo estatístico. Outra abordagem é a determinação de uma relação entre uma temperatura de metal de um componente da turbina e uma condição de operação da turbina que aloja o componente. Essa abordagem usa um modelo térmico do componente e um histórico de operações da turbina para prever uma atual ou futura temperatura de operação do componente.

[007] Entretanto, os métodos e sistemas convencionais para a extensão da vida útil da usina e turbina exigem o fechamento da usina para inspeções para coletar dados (por exemplo, comprimentos de fenda) e, em geral, não são aplicáveis a componentes que não apresentam falha evidente. Consequentemente, será desejável fornecer sistemas e métodos que evitem os problemas e desvantagens descritas acima.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[008] Os aspectos da presente invenção referem-se a sistemas e métodos para previsão e otimização de uma vida útil de componentes da turbina a gás (por exemplo, rotores), especialmente, componentes que não apresentam dano evidente e para os quais é esperada uma vida útil longa, mas que, devido a altas cargas termomecânicas, podem rachar e se degenerar rapidamente em uma falha do motor que pode comprometer a segurança da usina.

[009] De acordo com uma realização exemplificativa, há um método baseado em computador para determinar uma expectativa de vida útil residual de um rotor de uma turbina a gás. O método inclui receber no computador condições de operação da turbina a gás; receber um resultado de inspeção de rotor de turbina a gás; atualizar, com base nas condições de operação da turbina a gás e no resultado de inspeção de rotor de turbina a gás, uma base de dados para uma frota correspondente à turbina a gás; e calcular a expectativa de vida útil residual do rotor da turbina a gás.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[010] Os desenhos anexos, que são incorporados ao relatório descritivo e constituem uma parte do mesmo, ilustram uma ou mais realizações e, juntamente com a descrição, explicam essas realizações. Nos desenhos: A Figura 1 ilustra um exemplo de uma turbina a gás; A Figura 2 ilustra quatro conceitos que servem de base para uma realização da invenção; A Figura 3 ilustra fases analíticas associadas a uma realização da invenção; A Figura 4 ilustra um método para a previsão de vida útil do componente de acordo com uma realização da invenção; A Figura 5 ilustra outro método para a previsão de uma vida útil do componente de uma turbina a gás de acordo com uma realização exemplificativa; e A Figura 6 ilustra um dispositivo configurado para a implantação do método discutido no presente documento.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[011] A descrição a seguir das realizações exemplificativas se refere aos desenhos anexos. Os mesmos números de referência em desenhos diferentes identificam os mesmos elementos ou similares. A descrição detalhada a seguir não limita a invenção. Em vez disso, o escopo da invenção é definido pelas reivindicações anexas. As realizações a seguir são discutidas, para fins de simplicidade, em relação à terminologia e estrutura de uma turbina a gás, particularmente, a um rotor. Entretanto, as realizações que serão discutidas depois não se limitam a esses sistemas, mas podem ser aplicadas a outros sistemas.

[012] A referência por todo o relatório descritivo a “uma (1) realização” ou “uma realização” significa que um recurso, estrutura ou característica específica descrita em relação a uma realização é incluída em ao menos uma realização da matéria revelada. Dessa forma, a aparição das frases “em uma (1) realização” ou “em uma realização” em vários lugares por todo o relatório descritivo não se refere, necessariamente, à mesma realização. Adicionalmente, os recursos, estruturas ou características particulares podem ser combinados em qualquer maneira adequada em uma ou mais realizações.

[013] As turbinas a gás exigem inspeções periódicas para assegurar a minimização de riscos operacionais e à segurança. Os fatores de manutenção para rotores incluem horas de início e de operação. Essas inspeções avaliam a saúde de um rotor do cliente através de compilação e utilização de informações pertinentes, que incluem: variáveis operacionais (tempo de modelo, ciclo e temperatura para avaliar seus impactos na propagação e fadiga de baixo ciclo); histórico de material (que inclui modelos do ambiente de aplicação, ciclo do duto e práticas de manutenção); condição do subcomponente (determinada por rigorosa investigação dos subcomponentes relativos a dano e ajuste). Com essas informações, é possível fazer uma recomendação apropriada para a retirada ou extensão de vida útil do rotor. Quando a substituição é autorizada, o processo inovador pode fornecer recomendações relativas à possibilidade de uma substituição em espécie ou a instalação de um rotor novo.

[014] Como mostrado na Figura 2, de acordo com uma realização, há um método para a previsão de vida útil do componente com uma precisão maior do que é possível com os sistemas e métodos convencionais. Esse método pode ser implantado em um dispositivo de previsão 20 que será discutido com mais detalhes posteriormente. O método é baseado em quatro conceitos: modelos baseados em física para a previsão de uma vida útil probabilística de um ou mais componentes de turbinas a gás (21), resultados de uma inspeção completa dos componentes (22), resultados de uma avaliação do histórico da vida útil do motor ao qual a parte (23) pertence e resultados de testes destrutivos em algumas partes (24). Esses quatro conceitos podem ser ligados a um método que tem múltiplas fases como discutido abaixo.

[015] Em uma realização, existem 6 fases como mostrado na Figura 3. Embora as 6 fases sejam descritas, um técnico no assunto saberia que algumas fases podem ser puladas e outras podem ser adicionadas. Também, embora a Figura 3 mostre fases que fluem consecutivamente de 1 a 6, a retroalimentação entre as fases é possível, como discutido abaixo.

[016] Na Figura 3, modelos numéricos/analíticos da fase 1 (31) alimentam várias funções de transferência da fase 2 (32). Os resultados das funções de transferência alimentam várias análises probabilísticas (33) da fase 3. Os resultados das análises probabilísticas podem ser usados com resultados de testes destrutivos da fase 4 (34) para prever a vida útil de um dado componente. Adicionalmente, a inspeção não destrutiva e o histórico da operação dos componentes mostrados na fase 5 (35) podem, também, ser usados durante a previsão da vida útil de dado componente. Os resultados de cada uma das primeiras 5 fases podem ser combinados em uma previsão de extensão de vida útil da fase 6 (36). Os detalhes de cada uma dessas 6 fases são descritos, agora, abaixo. Também, embora testes destrutivos (34) sejam úteis para o processo, esses testes destrutivos são normalmente realizados uma vez apenas para, então, caracterizar o material empregado em rotor após muitas horas de vida útil. Em contraposição, os testes não destrutivos (inspeções) podem ser realizados toda vez que a manutenção for realizada em um rotor para o qual a extensão de vida útil é esperada.

[017] A etapa 1 de uma realização da invenção inclui a criação de modelos numéricos/analíticos que tenham a capacidade de prever, por exemplo, a) fluxo, pressão e temperatura de fluxos primário e secundário de motor; b) coeficientes de transferência de calor entre fluxos e rotores; c) temperaturas de metal de rotor; e d) deslocamentos, estiramentos e tensão de rotor. Em uma realização, os modelos são direcionados para uma turbina a gás “ideal” ou para componentes, isto é, com base exclusivamente em projeto e especificações de fabricação que inalteradas por experiências “do mundo real”. Em outra realização, um ou mais dos modelos podem incluir parâmetros “do mundo real”. Um ou mais desses modelos podem ser específicos a um tipo de turbina a gás ou podem ser genéricos. Os modelos, bem como as ferramentas de previsão podem estar disponíveis comercialmente ou podem ser desenvolvidas internamente.

[018] Os modelos numéricos/analíticos são designados para serem operados em série ou em paralelo, dependendo de um cenário total ou dispositivo a ser modelado. Em uma realização, os modelos numéricos/analíticos irão usar uma ou mais variáveis independentes de entrada (vitalX’s) e irão emitir variáveis dependentes (por exemplo, temperaturas de metal). Os modelos criados podem ser armazenados em uma biblioteca ou kit de ferramentas modelo para uso posterior, por exemplo, uma memória. Esses modelos usam como entrada variáveis dependentes e têm a capacidade de calcular várias variáveis dependentes que caracterizam a turbina a gás. Os exemplos de variáveis independentes, vitalXs, são uma temperatura ambiente, uma velocidade de rotor, uma temperatura de queima, várias folgas geométricas internas, etc. associadas a uma turbina.

[019] A fase 2 de uma realização da invenção inclui: a) definir um projeto específico e apropriado de plano de experimento (EDE); b) aplicar um ou mais dos modelos desenvolvidos na fase 1 no EDE para, através disso, gerar variáveis dependentes correspondentes; e c) criar funções de transferência (FTs) entre c1) variáveis de vida útil [Z] (por exemplo, iniciação de fenda de ciclos para FBC (fadiga de baixo ciclo), horas para iniciação de propagação de fenda, horas/ciclos para a fenda se propagar em uma falha, etc.) e c2) as variáveis independentes (vitalX’s) dos modelos correspondes. As funções de transferência são aquelas conhecidas na técnica ou novas funções definidas para esse processo ou uma combinação de ambas. Uma variável de vida útil é, geralmente, uma variável que representa um conceito de manutenção ou interesse sobre a vida útil da turbina a gás ou componente de turbina. Com respeito às FTs de iniciação de fenda (FBC), preferencialmente, há ao menos uma FT para cada parte única para possibilitar, então, uma substituição apenas da única parte que está no fim da vida útil ou uma substituição do rotor completo, dependendo do que é mais conveniente para o cliente. Preferencialmente, existirá ao menos uma FT de propagação de fenda para cada superfície, de modo que tenha capacidade de obter uma ou mais indicações e de reduzir uma quantidade de sucatas.

[020] A fase 3 de uma realização da invenção inclui: a) estimação/definição de distribuições de vitalX’s; b) execução de uma ou mais simulações de MonteCarlo para determinar a vida útil probabilística de uma frota e/ou um risco de frota de falha; e c) execução de uma ou mais simulações de MonteCarlo para configurar, por exemplo, um alarme de espaço de roda (confirmação ou atualização de configuração existente, sempre que avaliar frota madura) para minimização de risco de falha. Uma frota é aqui entendida por descrever uma classe de turbinas a gás que têm um mesmo grupo de características em comum. O alarme de espaço de roda é um possível exemplo de alarmes possíveis existentes em uma turbina a gás e pode ser diminuído ou aumentado baseado nos cálculos descritos no presente documento.

[021] Uma distribuição de um vitalX é descrita agora. Supõe-se que várias turbinas a gás de uma frota são fornecidas a vários clientes, localizados ao redor do mundo. Uma temperatura ambiente da turbina a gás é uma variável independente, isto é, vitalX. Entretanto, uma temperatura ambiente em Doha (Qatar) é diferente de uma temperatura ambiente no Alaska. Dessa forma, para um dado vitalX (Tamb), há uma distribuição de temperaturas para as turbinas a gás que constituem a frota. Essa distribuição pode ser, por exemplo, um sino de Gauss ou ter outras formas.

[022] Se uma quantidade de pontos de dados para qualquer vitalX medido for grande o suficiente, será possível desenvolver uma função de destruição razoavelmente precisa para o vitalX. Então, filtros (por exemplo, filtros de Kalman) podem ser aplicados para coordenar os modelos com dados de campo (por exemplo, comprimento de fenda). Entretanto, se uma quantidade de pontos de dados para cada vitalX medido não for grande o suficiente, esses filtros podem não oferecer resultados precisos. Nesse caso, um julgamento de engenharia pode ser usado para desenvolver uma função de distribuição de “melhor palpite” para o vitalX. Nesse caso, a distribuição é definida.

[023] Retornando ao alarme de espaço de roda, nota-se que turbinas de combustão incluem um compressor que tem uma pluralidade de estágios que criam um fluxo de ar comprimido e uma turbina que tem um rotor de turbina que aciona um eixo. Durante a operação, temperaturas no rotor de turbina elevam-se significativamente. O resfriamento pode ser fornecido pelo direcionamento de ar de descarga de compressor direta para o interior de um espaço de roda que se estende ao redor do rotor de turbina. A temperatura do espaço de roda pode ser mantida em um limite material entre a temperatura de descarga do compressor e a temperatura de trajetória de gás quente. No evento em que a temperatura do espaço de roda excede o limite material, um alarme pode ser soado para indicar uma condição de sobretemperatura. Quando o limite material é excedido, a turbomáquina pode ser fechada e, após inspeção e estudo precisos, um ou mais dispositivos podem ser aplicados para fornecer fluxo de resfriamento adicional. Vários fatores podem afetar a temperatura de ar de descarga do compressor. Por exemplo, à medida que a temperatura de ar de entrada de ambiente se eleva, o ar de descarga do compressor se eleva. Dessa forma, a configuração correta de um alarme de espaço de roda é desejável e o processo inovador descrito no presente documento tem a capacidade de ajustar esse alarme.

[024] As fases precedentes (31 a 33) são aplicáveis à previsão de uma duração de vida útil total de um dispositivo/componente e à previsão de uma duração de vida útil residual (isto é, otimização de vida útil remanescente). As fases a seguir são, geralmente, mais aplicáveis à previsão de uma duração de vida útil residual.

[025] A fase 4 (34) de uma realização da invenção inclui testes de laboratório destrutivos de uma quantidade estatística de partes raspadas (no meio ou no fim de suas vidas úteis) para confirmar se a resistência do material ainda é consistente com as expectativas do projeto.

[026] A fase 5 (35) de uma realização da invenção inclui a aquisição e exploração de uma base de dados de condições de históricos de operação para cada unidade específica. Os dados na base de dados podem incluir a) os resultados de quaisquer testes não destrutivos e b) inspeções durante a vida útil do componente. As inspeções podem incluir um ou mais dos tipos a seguir: inspeções de correntes parasitas, inspeções de partículas magnéticas, inspeções penetrantes fluorescentes e/ou inspeções ultrassônicas. De forma otimista, tais testes e inspeções serão realizados em 100% das superfícies das partes. O interesse é a identificação de históricos de operação que possam indicar que uma unidade pode ter sido operada em condições mais favoráveis que aquelas que foram presumidas quando uma expectativa de vida útil do fabricante foi estimada.

[027] A fase 6 de uma realização da invenção inclui o uso dos resultados das 5 fases prévias para estimar uma extensão da vida útil de uma parte específica ou dispositivo (isto é, estimação do risco de falha associado à extensão de uma vida útil de um componente além de um fim de vida útil estimado de fabricação inicial). Essa estimação pode empregar estatísticas que envolvem alguns os todos os vitalXs que afetam a expectativa de vida útil da parte (por exemplo, condições de operação, dimensões geométricas, propriedades do material). Para simplificar os cálculos, o número de vitalXs nessa fase (bem como na fase 3) pode ser reduzido (por exemplo, para menos que 7 vitalXs). Essa redução de vitalXs pode ser facilitada pela criação (na fase 2) de FTs lineares associadas a grupos diferentes de vitalXs. Essas FTs lineares podem ser usadas para selecionar, a partir de cada grupo de vitalXs, o vitalX que mais afeta a variável de vida útil correspondente.

[028] Um objetivo da fase 6 é o uso de dados das 5 fases prévias para prever se um componente pode ter uma vida útil mais longa daquela que foi prevista pelo projetista original (quem pode ter usado mais cálculos de vida útil de produtos conservadores, ou quem pode ter presumido um ambiente de operação mais severo que o ambiente de operação atual identificado na fase 5, ou quem pode ter presumido uma resistência do material maior que a resistência do material real identificado na Etapa 4).

[029] Os comentários precedentes forneceram uma visão geral de ao menos 6 fases que podem ser combinadas para gerar uma estimativa mais precisa de vida útil do produto. Os comentários a seguir fornecem detalhes adicionais sobre ao menos algumas dessas 6 fases.

[030] Em uma realização, as inspeções da fase 4 podem ser usadas para sustentar (mas não validar) os cálculos da fase 6, como também para confirmar que uma parte foi fabricada de acordo com o projeto e que essa parte tem sido operada e mantida de acordo com o projeto. As inspeções da fase 4 não são, de preferência, usadas para validar os cálculos da fase 6 devido ao fato de que as inspeções não destrutivas da fase 4 não têm, muitas vezes, capacidade de detectar a fadiga local ou dano de propagação e, então, muitas vezes, não são confiáveis para atribuir um valor para o dano acumulado.

[031] Preferencialmente, as previsões de extensão de vida útil da fase 6 devem contar com uma base de dados de material da fase 4 que é consistente com a vida útil estimada. Preferencialmente, uma base de dados de propagação de material da fase 4 deve incluir testes não inferiores a 1/20 do tempo de vida útil esperada. Em outras palavras, a base de dados deve incluir informações suficientes (em termos de tempo) para ser confiável. Um exemplo neste sentido é como o seguinte. Supõe-se que um rotor da turbina a gás tenha um tempo de vida útil esperado de 20 anos. É desejável que a base de dados inclua ao menos a importância de 1 ano de informações sobre o rotor, isto é, não inferior a 1/20 do tempo da vida útil esperada.

[032] Os resultados da fase 3 podem ser usados para prever uma vida útil probabilística de frota que é diferente de uma especificação de produto. Antes e após o uso dos resultados da fase 3, quaisquer resultados “inesperados” devem ser investigados para determinar se quaisquer modelos e/ou distribuições de vitalX devem ser modificados.

[033] Os resultados da fase 5 podem destacar defeitos inesperados em uma parte (por exemplo, fendas). Se defeitos inesperados forem encobertos na fase 5, uma análise de causa raiz (ACR) deve ser realizada. Os resultados da ACR podem ser aplicados à fase 6 para coordenar adicionalmente a estimativa de extensão da vida útil, e podem ser aplicados no projeto e fabricação para aperfeiçoar o projeto e produção de componente inicial. Na fase 5, as fendas podem ser consideradas como sendo uma indicação de um fim da vida útil da parte e devem ser investigadas através de ACR para, então, verificar se modelos de previsão e FTs podem, ainda, ser considerados confiáveis ou se exigem modificação. Alternativamente, indicações de não fenda (por exemplo, arranhões, marcas, impressões) podem ser aceitáveis, mas apenas se essas indicações de não fenda não parecerem afetar a vida útil da parte. A reusinagem de defeitos pode ser sugerida para, então, tornar indicações mais lisas.

[034] Essas indicações de não fenda (indicadores de uso) podem ser avaliadas através de geração de FTs dedicadas. (A FT terá os mesmos vitalXs que a outra FT mais as dimensões da indicação (comprimento, profundidade, espessura). Conforme observado acima, a fim de reduzir a quantidade de FTs, uma realização pode agrupar superfícies de parte e definir apenas uma FT para cada grupo de superfícies. Cada grupo pode ser composto de acordo com superfícies que têm um comportamento semelhante, de modo que um grupo final que tem uma localização pior possa ser selecionado como sendo representativo da zona total. Um rotor pode ter centenas se não milhares de superfícies pequenas.

[035] As fases previamente descritas podem ser combinadas com o fluxo do processo da Figura 4. O processo pode começar com uma inspeção de rotor de turbina (41). A inspeção determina se fendas estão presentes (42) ou se outras indicações relacionadas ao ciclo de vida útil (por exemplo, arranhões, marcas, impressões) estão presentes (43). Se fendas, devido a operações, estiverem presentes, uma análise de causa raiz (ACR) é realizada (48). Os resultados de ACR podem ser retroalimentados para quaisquer modelos de previsão usados pelo fabricante, assim como qualquer análise de extensão de vida útil. Se outras indicações relacionadas ao ciclo de vida útil (por exemplo, arranhões, marcas, impressões) forem descobertas, essas indicações podem ser combinadas com resultados de históricos de operação (44) para estimar uma vida útil residual para cada indicação. Se nem fendas nem outras indicações forem detectadas, distribuições de frota podem ser atualizadas para a previsão de uma vida útil residual de uma unidade específica (46). Por exemplo, as distribuições Y, para uma frota inteira, são geradas com o uso de distribuições de vitalX que incluem a variabilidade total presente na frota (por exemplo, distribuição Tamb irá incluir todos os locais possíveis onde máquinas podem operar). Também, a unidade específica Y, que tem distribuições que se incluem nas distribuições de frota, mantém, tipicamente, uma forma comum (por exemplo, uma curva de sino de Gaussian). Entretanto, essas distribuições podem ser estreitas devido ao fato de uma ou mais distribuições de vitalX poderem ser substituídas por um valor (por exemplo, folga interna) ou substituídas por mais distribuições estreitas (por exemplo, temperatura ambiente local). Esse cálculo de vida útil residual pode levar em conta, também, resultados de históricos de operação (44). A distribuição de frota atualizada pode ser usada para prever um risco total para uma unidade (47). Exemplos de riscos previstos incluem previsões para iniciação de fendas e/ou uma propagação de uma fenda existente.

[036] No processo da Figura 4, os itens 41, 42, 43 e 44 podem ser considerados como parte da fase 5, sendo que os itens remanescentes (45, 46, 47 e 48) são associados à fase 6. Uma ou mais das fases 1 a 4 previamente descritas podem alimentar resultados para a fase 4. Isso é útil porque a maioria das FEOs de turbina projetam seus componentes, de modo que não formem fendas durante sua vida útil.

[037] A metodologia descrita acima é direcionada às turbinas a gás atualmente instaladas e em operação. Entretanto, um técnico no assunto saberia que ao menos as três primeiras são aplicáveis a um projeto novo (por exemplo, previsões de vida útil para novos projetos).

[038] A metodologia precedente pode ser realizada em um ou mais dispositivos baseados em processador (computadores) que podem ou não ser conectados através de uma rede de comunicações com ou sem fio. O dispositivo baseado em processador inclui um processador, uma memória e uma unidade de entrada. O dispositivo baseado em processador pode incluir também um monitor. Tal dispositivo é discutido com referência à Figura 6. Os programas de computador associados à metodologia precedente podem ser armazenados em um meio de armazenamento não transitório, como uma memória, um disco ou outro dispositivo.

[039] De acordo com uma realização exemplificativa ilustrada na Figura 5, há um método para determinar uma expectativa de vida útil residual de um rotor de uma turbina a gás. O método inclui uma etapa 500 de recebimento de condições de operação da turbina a gás no computador; uma etapa 502 de recebimento de um resultado de inspeção de rotor de turbina a gás; uma etapa 504 de atualização, baseada nas condições de operação da turbina a gás e no resultado de inspeção de rotor de turbina a gás, uma base de dados para uma frota que corresponde à turbina a gás; e uma etapa 506 de cálculo da expectativa de vida útil residual do rotor da turbina a gás.

[040] O método acima pode ser implantado em um dispositivo para determinar uma expectativa de vida útil residual de um componente de turbina a gás. O dispositivo pode incluir uma memória e um processador conectado de modo operacional à memória. O processador pode ser configurado para receber as condições de operação da turbina a gás, receber um resultado de inspeção de rotor de turbina a gás, atualizar, com base nas condições de operação da turbina a gás e no resultado de inspeção de rotor de turbina a gás, uma base de dados para uma frota que corresponde à turbina a gás, e calcular a expectativa de vida útil residual do rotor da turbina a gás.

[041] O processador pode ser configurado adicionalmente para usar modelos físicos da turbina a gás para calcular inúmeras variáveis dependentes da turbina a gás com base em variáveis independentes ou para fornecer as variáveis independentes como entradas para a transferência de funções para calcular variáveis de vida útil ou para receber distribuições das variáveis independentes ou para executar simulações de MonteCarlo baseadas nas variáveis independentes, nas distribuições das variáveis independentes e nas funções de transferência para determinar a vida útil probabilística da frota, ou para receber testes de laboratório destrutivos realizados em partes da turbina a gás, ou para calcular a expectativa de vida útil residual do rotor da turbina a gás baseada nas variáveis independentes, nas funções de transferência, nas simulações de MonteCarlo e nos testes de laboratório destrutivos.

[042] Em uma realização exemplificativa, um produto baseado em computador não transitório contém instruções para a determinação de uma expectativa de vida útil residual de um componente de uma turbina a gás, o produto baseado em computador é organizado para induzir um dispositivo baseado em processador a realizar as instruções a seguir: receber condições de operação da turbina a gás; receber um resultado de inspeção de rotor de turbina a gás; atualizar, com base nas condições de operação da turbina a gás e no resultado de inspeção de rotor de turbina a gás, uma base de dados para uma frota que corresponde à turbina a gás; e calcular a expectativa de vida útil residual do rotor da turbina a gás e de um risco associado à extensão de vida útil.

[043] Um exemplo de um dispositivo representativo, capaz de executar operações de acordo com as realizações discutidas acima, é ilustrado na Figura 6. O hardware, firmware, software ou uma combinação dos mesmos pode ser usado para realizar várias etapas e operações descritas no presente documento. A estrutura de computação 600 da Figura 6 é uma estrutura de computação exemplificativa que pode ser usada em conexão com tal sistema.

[044] A disposição de computação exemplificativa 600 adequada para realizar as atividades descritas nas realizações exemplificativas pode incluir um servidor 601. Tal servidor 801 pode incluir um processador central (CPU) 602 acoplado a uma memória de acesso aleatório (RAM) 604 e a uma memória de apenas leitura (ROM) 606. A ROM 606 pode ser também de outros tipos de mídia de armazenamento para armazenar programas, tais como ROM programável (PROM), PROM apagável (EPROM), etc. O processador 602 pode se comunicar com outros componentes internos e externos através de um conjunto de circuitos de entrada/saída (I/O) 608 e barramento 610, para fornecer sinais de controle e similares. O processador 602 executa uma variedade de funções como é conhecido na técnica, conforme ditado por instruções de software e/ou firmware.

[045] O servidor 601 pode incluir também um ou mais dispositivos de armazenamento de dados, que incluem unidades de disco rígido e flexível 612, unidades de CD-ROM 614, e outro hardware capaz de ler e/ou armazenar informações como DVD, etc. Em uma realização, o software, para executar as etapas discutidas acima, pode ser armazenado e distribuído em um CD-ROM 616, disquete 618 ou outro formato de mídia capaz de armazenar informações de forma portátil. Essa mídia de armazenamento pode ser inserida e lida através de dispositivos, como a unidade de CD-ROM 614, a unidade de disco 612, etc. O servidor 601 pode ser acoplado a um monitor 620, que pode ser qualquer tipo de monitor conhecido ou tela de apresentação, como telas de LCD, tela de plasma, tubos de raios catódicos (CRT), etc. Uma interface de entrada de usuário 622 é fornecida, que inclui um ou mais mecanismos de interface de usuário tais como um mouse, teclado, microfone, teclado sensível ao toque, tela sensível ao toque, sistema de reconhecimento por voz, etc.

[046] O servidor 601 pode ser acoplado a outros dispositivos de computação, tais como terminais de telefone fixo e/ou sem fio, através de uma rede de comunicações. O servidor pode ser parte de uma configuração de rede de comunicações maior como em uma rede de área global (GAN) como a internet 628, que possibilita a conexão final aos vários dispositivos de cliente/observador de telefone fixo e/ou móvel.

[047] As realizações exemplificativas reveladas fornecem um método, software de computador e dispositivo para determinação de uma vida útil remanescente de um componente de uma turbina a gás. Deve ser compreendido que essa descrição não se destina a limitar a invenção. Pelo contrário, as realizações exemplificativas se destinam a abranger as alternativas, modificações e equivalentes, que são incluídas no espírito e escopo da invenção conforme definida pelas reivindicações anexas. Adicionalmente, na descrição detalhada das realizações exemplificativas, vários detalhes específicos são apresentados a fim de fornecer um entendimento abrangente da invenção reivindicada. Entretanto, técnico no assunto entenderia que várias realizações podem ser praticadas sem tais detalhes específicos.

[048] Embora os recursos e elementos das realizações exemplificativas presentes sejam descritos nas realizações em combinações particulares, cada recurso ou elemento pode ser usado sozinho sem os outros recursos e elementos das realizações ou em várias combinações com ou sem outros recursos e elementos revelados nas mesmas. Os métodos ou fluxogramas fornecidos no presente pedido de patente podem ser implantados em um programa de computador, software ou firmware incorporado de forma tangível em um meio de armazenamento legível por computador para a execução por um processador ou computador especificamente programado.

[049] Essa descrição escrita usa exemplos da matéria revelada para permitir que técnico no assunto pratique a mesma, incluindo produzir e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e realizar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da matéria é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorram aos técnicos no assunto. Tais outros exemplos se destinam a estar dentro do escopo das reivindicações.

Claims (10)

1.MÉTODO COM BASE EM COMPUTADOR PARA DETERMINAR UMA EXPECTATIVA DE VIDA RESIDUAL DE UM ROTOR DE UMA TURBINA A GÁS, que compreende: operar a turbina a gás, obter e receber condições de operação da turbina a gás no computador (500); inspecionar o rotor da turbina a gás, obter e receber um resultado de inspeção de rotor de turbina a gás (502); o método caracterizado por atualizar, com base nas condições de operação da turbina a gás e no resultado de inspeção de rotor de turbina a gás, uma base de dados para uma frota de classe de turbina a gás que tem um conjunto de características comuns que corresponde à turbina a gás (504); e calcular a expectativa de vida residual do rotor da turbina a gás e um risco associado ao prolongamento de vida útil (506), em que a etapa de calcular compreende ainda: medir variáveis independentes da turbina a gás; e utilizar modelos físicos da turbina a gás para calcular uma pluralidade de variáveis dependentes da turbina a gás com base em variáveis independentes.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo resultado de inspeção de rotor de turbina a gás indicar a presença de uma fenda no rotor ou uma indicação de uso no rotor ou que não há evento no rotor.

3. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado por, caso haja uma fenda inesperada no rotor, compreender modificar um modelo da turbina a gás.

4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por, caso haja uma indicação de uso no rotor ou uma fenda esperada, compreender calcular uma vida útil residual do rotor para a indicação de uso ou uma fenda esperada.

5. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pela indicação de uso ser dentre uma marca, arranhão, ou impressão no rotor.

6. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por compreender, ainda: fornecer as variáveis independentes como entradas para transferir funções de modo a calcular variáveis de vida útil, em que uma variável de vida útil é um parâmetro de iniciação de fenda de ciclos para LCF (fadiga de baixo ciclo).

7. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por compreender, ainda: executar simulações de MonteCarlo baseadas nas variáveis independentes e nas distribuições das variáveis independentes.

8. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por compreender, ainda: executar simulações de MonteCarlo com base nas variáveis independentes, nas distribuições das variáveis independentes e nas funções de transferência para determinar a vida probabilística de frota.

9. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por compreender, ainda: calcular a expectativa de vida residual do rotor da turbina a gás com base nas variáveis independentes, nas funções de transferência, nas simulações de MonteCarlo e nos testes de laboratório destrutivo.

10. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado: pelas variáveis independentes serem selecionadas de um grupo formado de: temperatura ambiente, velocidade de rotação do rotor, temperatura de queima e folhas geométricas ou combinação das mesmas; e pelas variáveis dependentes serem selecionadas de um grupo formado de: parâmetro de iniciação de fenda de ciclos para LCF (fadiga de baixo ciclo), horas para iniciação de propagação de fenda, ou horas ou ciclos para uma fenda se propagar em uma falha, ou combinação das mesmas.

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