CN102099835B - 用于确定燃气轮机的抽吸质量流的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于确定燃气轮机(1)的抽吸质量流(48)的方法，应特别可靠地预测在清洁时可期望的功率收益。为此求出涡轮机入口压力(40a)、燃烧室压力损失(40b)和/或在环境和压缩机入口之间的压力损失(40c)。

Description

用于确定燃气轮机的抽吸质量流的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定燃气轮机的抽吸质量流的方法。此外它涉及一种用于诊断具有多个构件的燃气轮机的方法，在该方法中自动预测燃气轮机的运转功率在其中一个构件清洁的情况下所能提高的附加功率。

背景技术

对燃气轮机来说在它使用寿命期间它的功率和它的效率由于污染、沉积、侵蚀和腐蚀而下降，由此不利地影响整个发电厂过程。特别是在此涉及在燃气轮机的入口处的压缩机的气体动力学的零件。

燃气轮机的污染通过微粒在表面上的粘附产生。油雾和水雾有助于灰尘和微粒状物质附着在工作叶片上。最经常出现的污染和沉积是由水湿润的、水溶的和不水溶的材料组成的混合物。在燃气轮机中可能出现由于灰尘沉积和未燃烧的、固体的清洁剂的污染。这样的空气有害物象鳞片一样粘附在燃气轮机的流动路径的构件上并且与它们反应。此外还通过微粒撞击和研磨导致磨蚀，这一般称为冲蚀。

此外在燃气轮机的入口处形成的冰片可能融化并且击打在燃气轮机的的流动路径中的构件上。为了防止这些，使用了所谓的防结冰系统。这里通过空气预热防止，空气的温度在进入燃气轮机时不下降到低于冰点并且由此水不结冰。

通过所述的老化过程造成叶片的提高的表面粗糙度。这导致在燃气轮机中的比较大的摩擦损失，因为层流的边界流层在涡流中可能翻转并且这样导致增长的流动阻力。此外燃气轮机的间隙由于研磨和腐蚀变大。由于提高的间隙流的损失增加并且减小了设备的工作性能。

老化现象的影响在燃气轮机的入口处，也就是说，在压缩机处特别大。叶片由于冲蚀、沉积和损坏的几何尺寸变化造成减小的燃气轮机功率产生能力。在入口处产生的沉积、冲蚀和腐蚀导致改变的入口角，它在热力学的工作特性上有非常强烈的影响。老化的压缩机有时可能导致流动失速。

压缩机的老化不利地影响燃气轮机效率、燃气轮机功率和燃气轮机排出质量流。为了抵抗涡轮机设备的功率下降，通常进行定期的压缩机清洗。在这种情况下压缩机叶片可以以在线和离线模式清洗。在在线模式下，涡轮机设备在清洁期间继续工作，燃气轮机负荷仅少量下降。在线清洗主要用于避免污染层的建立。通常在线清洗每天一次利用完全软化水进行并且每隔三天利用清洁剂进行。

相反在离线清洁时设备被停止。为了避免热应力，它被借助轴旋转装置冷却六个小时。离线清洗通常每月进行一次。如果涡轮机设备对比较长的时间阶段未被清洁，一般必须对典型的设备进行一次离线清洗，因为在线清洁的方法不再能除去污染。

在此离线清洗比在线清洗产生更大的功率收益。借助离线清洗可以实现几个百分点的功率恢复。在线清洗产生较小的功率收益。有效的叶片清洁可以利用在线清洗和离线清洗的组合实现。定期的在线清洗扩大了离线清洗之间必需的时间间隔。

离线清洗的最优的时间点通常由运行商按照纯粹的经济性的工作观点确定，例如在弱负荷时间。这意味着，在去除涡轮机设备的构件的污染，例如通过清洗压缩机的时间点的决定，仅仅由经验值在经济性的观点下或者在利用固定的边界条件的事先研究下产生。

替代地，离线清洗的时间点的确定可以借助通过离线清洗预计的燃气轮机的功率收益的当前预测进行。在此这种预测通常借助燃气轮机的压缩机效率的进展产生，它用作压缩机的污染强度的特征参量。这种预测方法例如由WO 2005/090764 A或者由Schepers等的VGBKraftwerkstechnik(VGB发电厂技术)，79卷第3期中的.“Optimierungder Online- und Offline-an einer 26Mw-Gasturbine unterbesonderer Berücksichtigung der Leistungssteigerung(在特别考虑功率提升的情况下在26MW燃气轮机上的在线和离线清洗的优化)”公开。

不过用于确定压缩机效率的测量数据可能带有比较高的数据不确定性，这使预计的通过离线清洗的功率收益的预测变困难并且由此使对燃气轮机的运转最优的这种离线清洗的时间点的确定变困难。

为了提高这种预测的精度，在此应该使统计的不确定性最小。这例如可以通过测量仪器的改善或者测量数量的提高实现。不过这样的提高在此仅导致统计的误差的减小，但是也应该进一步使预测附加功率时的系统误差最小。这可以实现，措施是使用附加的其它的用于预测附加功率的特征参量。这种表现燃气轮机的功率的特征的参量是燃气轮机的抽吸质量流。

抽吸质量流作为燃气轮机的运转功率的特征参量通过由于高的费用、大的测量不可靠性和损坏危险而不直接测量，而是借助求解间接确定。对于直接的测量必须使用非常昂贵的仪器，因为第一存在非常高的温度，并且第二传感器的折断由于可能在涡轮机叶片上的高昂的间接损失而一定要避免。

发明内容

因此本发明的任务在于，提供一种上述类型的用于确定抽吸质量流的方法，它可以获得预计的在清洁时的功率收益的特别可靠的预测。

该任务根据本发明解决，措施是为了确定抽吸质量流求出涡轮机入口压力、燃烧室压力损失和/或在环境和压缩机入口之间的压力损失作为输入特征参量。

在此本发明从这个考虑出发，即对一方面整个燃气轮机，并且另一方面燃烧室的能量平衡，此外必须将运转功率、燃料质量流和燃料热值作为输入参量。不过这些值确定比较困难并且具有非常高的误差。在联合发电厂中，其中燃气轮机与蒸汽轮机一起在一个轴上工作，燃气轮机的功率可以此外作为单个值只能比较昂贵并且不精确地确定，因为始终只能提供整个联合发电厂的整个功率。因此为了确定抽吸质量流求出涡轮机入口压力、燃烧室压力损失和/或在环境和压缩机入口之间的压力损失作为输入特征参量。

在此涡轮机入口压力可以借助按照斯托多拉(Stodola)的量压力方程转换为抽吸质量流的值，而可以由燃烧室压力损失或者在环境和压缩机入口之间的压力损失求出分别的阻力系数，它们可以用于确定抽吸质量流。这种无需求解能量平衡的抽吸质量流的确定具有明显较小的统计误差并且因此可以获得燃气轮机的运转功率在其中一个构件清洁的情况下所能提高的附加功率的更精确的预测。

为了在确定抽吸质量流时进一步减小统计误差，有利地由一定数量的输入特征参量分别求出抽吸质量流的临时值以确定抽吸质量流，其中对每个临时值通过与相应另外的临时值的横向平衡分别求出有效值。这种横向平衡例如可以参照VDI2048进行。这基本上涉及按照高斯的均衡原理，它的基本思想是，不仅应用对求解必需的最小量的测量参量，而且此外所有可获得的测量参量全部求得配属的方差和协方差。对本方法这意味着，利用所有可获得的输入特征参量，以分别求出抽吸质量流的临时值。

因为始终涉及相同的物理的抽吸质量流，输入特征参量的真实值应该是这样的，即所有产生的临时值相同。基于这个假设，人们借助高斯方法获得测量参量的实际值的不矛盾的估计值以及抽吸质量流的有效值。以这种方式产生的抽吸质量流的有效值然后被平均并且由此构成具有特别小的统计误差的用于确定燃气轮机的运转功率的特征参量。

对于在特别小的费用下获得燃气轮机的高的运转功率必需的离线清洗的时间点的选择可以通过通过这种燃气轮机的离线清洗的功率收益的尽可能准确的预测实现。换句话说：为了确定在当前的时间点的离线清洗由于燃气轮机的停机的生产下降在经济性上是否值得，应该每个时间尽可能准确地知道，预计的通过离线清洗的功率收益有多高。因此在一种用于预测具有多个构件的燃气轮机的方法中，它借助抽吸质量流的值产生这样一种预测，即有利地应用上述的用于确定抽吸质量流的方法。

在燃气轮机中，压缩机在流动介质方面布置在所有其它的构件例如燃烧室之前。相应地压缩机是遭受环境影响如流入的灰尘和脏颗粒最多的构件。因此有利地进行特别是压缩机的清洁，因为它具有最高的污染程度并且由此相应的清洁在燃气轮机的运转功率收益上具有特别积极的影响。

为了进一步减小燃气轮机的统计的和系统的误差，抽吸质量流不设置作为用于确定燃气轮机的运转功率的唯一的特征参量。因此在有利的构造方案中附加地应用燃气轮机的压缩机效率作为特征参量。

在测量输入特征参量时应该考虑，特别是燃气轮机的热动力学参数依赖于相应的环境条件如空气压力和外部温度。为了尽管如此还能够将不同的时间点的测量值互相比较，相应的特征参量应该标准化到基准条件上。作为标准在此提供ISO条件(温度15℃，压力1.013bar，空气湿度60％)。

为了由计算出的燃气轮机瞬时运转功率预测出在燃气轮机的其中构件清洁的情况下的附加功率，需要刚刚清洁过的燃气轮机的运转功率的基准值。在此燃气轮机的运转功率除了依赖于它的污染状态，还依赖于不依赖污染的侵蚀，并且因此基本上依赖于燃气轮机的使用老化。为了获得这样的基准值，在预测附加功率时有利地应用结构相同的和/或结构类似的燃气轮机的特征参量作为比较参量。由此特别是可以特别好地预测燃气轮机清洁后的运转功率并且可以总体实现通过燃气轮机的清洁的附加功率的更准确的预测。

通过燃气轮机的其中一个构件的清洁的附加功率应该经常不仅在马上进行的清洁时求出，而且也对于处在将来的时间阶段求出，以能够获得清洁的长期计划。为此在有利的构造方案中产生相应的特征参量的时间进展的预测。这种预测可以通过多个在不同的时间点的输入特征参量或者测量值的分析进行。

如果燃气轮机的离线清洗的时间点的确定不仅在纯粹的经济性的观点下考虑，例如在弱负荷时间，而且借助在将来的燃气轮机的运转功率的准确预测进行，则可以获得燃气轮机的特别成本优化的运转。为此有利地根据求出的附加功率的值在与经济性总费用的权衡中确定，燃气轮机是否要暂时停机以清除污染并且必要时求出暂时停机的最优的时间点。通过对通过离线清洗实现的附加功率的准确预测，这样的离线清洗的时间点的确定可以借助明显精确的分析进行，此时离线清洗的成本和利益可以准确地互相权衡。

该方法有利地应用在具有包括多个构件的燃气轮机和控制系统的燃气轮机设备中，控制系统在数据输入侧与一定数量的用于求出输入特征参量的布置在燃气轮机中的传感器连接，其中控制系统具有预测模块。

在有利的实施方案中，在预测模块中可读入具有结构相同的和/或结构类似的燃气轮机的比较参量的数据库的数据。为此该预测模块应该具有相应地开放的架构，它允许这样的读入。这例如可以借助移动的数据载体实现或者通过到数据库的永久数据连接实现，也就是说，数据库可以储存在控制系统内部的可写的存储器上或者存储在外部的服务器上，该服务器通过远程数据连接与燃气轮机的控制系统连接。

这可以获得在结构相同的和/或结构类似的燃气轮机的数据之间的比较，由此可以进行在特别大的经验基础上的支持并且由此实现较小的统计误差。相反在燃气轮机中获得的数据也可以用于扩大数据库，措施是它们提供给数据库并且储存在那里。

预测模块有利地适合实施该方法以在燃气轮机设备中应用。

利用本发明实现的优点特别在于，通过燃气轮机的抽吸质量流借助于涡轮机入口压力、燃烧室压力损失和/或在环境和压缩机入口之间的压力损失的确定，可以获得燃气轮机、特别是它的压缩机的污染程度的比较精确的分析。由此可以获得前瞻性的、匹配运行和经济状况的燃气轮机的离线清洗计划，由此可以实现燃气轮机在它的运行寿命期间的特别高的效率。此外这里所述的方法允许抽吸质量流无需每个燃料数据的认识以及无需与高的不确定性相连的求解能量平衡的确定。此外由此可以首先考虑抽吸质量流关于单轴设备的燃气轮机的运转功率，在该单轴设备中燃气轮机和蒸汽轮机布置在一个共同的轴上。

附图说明

本发明的实施例借助附图详细说明。

图中示出：

图1是通过燃气轮机的纵向截面图，

图2是燃气轮机的运转功率的时间曲线的简图，以及

图3是用于预测在压缩机清洁的情况下实现的附加功率的方法的示意图。

相同的零件在所有图中设有同样的标记。

具体实施方式

根据图1的燃气轮机1具有用于燃烧用空气的压缩机2、燃烧室4以及用于驱动压缩机2和未详细示出的发电机或者做功机器的涡轮机6。为此涡轮机6和压缩机2布置在共同的，也称为涡轮机转子的涡轮机轴8上，发电机或者做功机器也连接在它上面并且它围绕它的中轴线9可旋转地支承。

燃烧室装置4具有一定数量的环形围绕涡轮机轴8布置的单独的用于燃烧液态的或者气态的燃料的喷嘴10。

涡轮机6具有一定数量的与涡轮机轴8连接的、可转动的工作叶片12。工作叶片12环形地布置在涡轮机轴8上并且由此构成一定数量的工作叶片列。此外涡轮机6具有一定数量的固定的导向叶片14，它们同样在构成导向叶片列的情况下环形地固定在涡轮机6的内部。工作叶片12在此用于通过流过涡轮机6的工作介质M的动量传递来驱动涡轮机轴8。而导向叶片14用于在分别两个在工作介质M的流动方向看顺序的工作叶片列或者工作叶片环之间流动导引工作介质M。

压缩机2是紧接着空气入口16的燃气轮机1的构件。相应地它最强烈地遭受污染侵入以及由此产生的燃气轮机1的污染。因此为了预防燃气轮机1的运转功率的下降，压缩机2必须定期清洁。在此可以相对经常地，例如每天一次，实施所谓的在线清洗，对此不需要燃气轮机1的停机。在较大的间隔上，为了去除顽固的污物，燃气轮机要停止，以实施离线清洗。

燃气轮机1具有控制系统18，它通过数据线20与不同的、布置在燃气轮机1内部的传感器22连接。为了确定最优的离线清洁时间点，控制系统18在此具有预测模块24，它处理由传感器22检测的输入特征参量并且基于这些数据求出燃气轮机的污染程度以及在实施离线清洗的情况下可期望的运转功率收益。为了改善预测质量，可以在预测模块中读入结构相同的或者结构类似的燃气轮机的比较数据。为此控制系统通过另外的数据线20与包含这样的比较数据的数据库26连接。数据库26在此可以处在未详细示出的外部的数据库服务器上。替代地比较数据也可以无需到数据库26的永久数据连接，而是通过可移动的数据载体读入。

图2示出了典型的燃气轮机1的运转功率的时间曲线的图形的示意图。线L1示出了燃气轮机1在投产时间30的运转功率。线L2示出了燃气轮机在其使用寿命上的理论最大功率，它的下降仅仅通过老化和不可逆转的污染产生。

线L3示出了可逆转的污染在燃气轮机的运转功率上的附加影响。在此在区段I中示出了定期的在线清洗在燃气轮机的运转功率上的影响。在定期的间隔中它在固定的时间32，例如每天一次地实施。这具有比较小的功率提升，不过累积地通过经常的在线清洗以不可忽略的方式有利于燃气轮机1的功率恢复。

在较大的时间间隔中，到了要确定的时间点34实施离线清洗。该离线清洗具有明显较大的功率收益。不过需要明显较大的费用，因为燃气轮机1必须停机，此时也产生不可忽略的费用支出。因此时间点34应该前瞻性地选择，其中它一方面可以借助经济性原则例如电价和燃料价产生，另一方面也可以借助燃气轮机的运转变化产生。特别是预计的通过离线清洗的功率收益对于最优地确定离线清洁的时间点34应该是已知的。

图3示意示出了用于确定燃气轮机1的运转功率在压缩机清洁的情况下所能提高的附加功率的方法的流程。为此首先测量涡轮机入口压力40a、燃烧室压力损失40b和在环境和压缩机入口之间的压力损失40c作为输入特征参量。由涡轮机入口压力40a基于按照斯托多拉的量压力方程式确定抽吸质量流的临时值42a。此外在燃烧室中的压力损失40b和在环境和压缩机入口之间的压力损失40c通过具有恒定的阻力系数的公式转化到抽吸质量流的临时值42b或者42c中。

不同的公式首先提供不同的抽吸质量流的临时值42a、42b和42c。利用约束条件，即所有的抽吸质量流应该相等，然后参照VDI2048实施数据验证。它借助特定的不确定性这样修正测量值，即抽吸质量流的临时值实际相等。那么由这样修正的输入特征参量一方面产生抽吸质量流44的有效值，另一方面验证的输入特征参量可以应用作为压缩机效率46的计算的基础。

然后通过取平均值产生在确定的时间点52的比较准确的抽吸质量流的值48和压缩机效率50。这种测量在多个时间点52进行记录并且储存。在此记录的测量值分别借助数学函数，例如通过多项式换算到ISO基准条件(温度15℃，压力1.013bar，空气湿度60％)上，以能够将在不同的环境条件下记录的值互相建立关系。由这些这样获得的、标准化的抽吸质量流的值54和压缩机效率56现在可以借助于回归分析推导出抽吸质量流58和压缩机效率60的时间曲线。为了保证足够的回归质量，在此应该存在不少于十个测量时间点52。

对这两个值，即抽吸质量流和压缩机效率，分别构造在最后一次离线清洗后的值和当前的时间点的值之间的差62。接着两个结果中的每都乘以系数。该系数是浮动分析的结果，也就是说与结构相同的和/或结构类似的燃气轮机1比较的结果。相应的数据在此可以由外部的数据库26输入。基于相应的统计的不确定性，该结果值配有概率水平。

两个结果62接着借助燃气轮机类型特定的代码64换算为燃气轮机功率。这样获得的在压缩机清洁的情况下的附加功率的预测最终输送给输出68。

为了更准确地预测在压缩机清洁的情况下的附加功率，由此同时考虑燃气轮机的抽吸质量流，其中为了确定抽吸质量流，不求解能量平衡并且不需要关于燃气轮机功率和燃料的数据，特别是它们的热值和它们的质量流的数据。通过由此以比较小的不确定性获得的预测，涡轮机运行商可以借助运转特定的数据准确地确定离线清洗的时间点34。由此可以整体获得燃气轮机的成本更经济的运转。

Claims (9)

1.用于确定燃气轮机(1)的抽吸质量流(48)的方法，

其中在使用涡轮机入口压力(40a)、燃烧室压力损失(40b)和在环境和压缩机入口之间的压力损失(40c)作为输入特征参量(40a、40b、40c)的情况下确定抽吸质量流(48)，

其中所述确定无需求解能量平衡并无需关于燃料热值的信息并无需关于燃料质量流的信息地进行，

其中对于每个输入特征参量(40a、40b、40c)分别求出抽吸质量流的临时值(42a、42b、42c)，

其中对于每个临时值(42a、42b、42c)通过与相应另外的临时值的横向平衡分别求出有效值(44)，并且

其中作为所述有效值(44)的平均值产生体现燃气轮机(1)的抽吸质量流(48)的特征的特征参量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中借助所述抽吸质量流确定单轴设备的燃气轮机的运转功率，在所述单轴设备中，燃气轮机和蒸汽轮机设在一个共同的轴上。

3.用于诊断包括多个构件的燃气轮机(1)的方法，其中自动地预测附加功率，所述附加功率是燃气轮机(1)的运转功率在其中一个构件清洁的情况下所能提高的量，

其中在预测附加功率时，应用燃气轮机(1)的抽吸质量流(48)作为特征参量，并且其中该抽吸质量流(48)按照根据权利要求1至2中任意一项所述的方法确定。

4.根据权利要求3所述的方法，其中预测在压缩机(2)清洁的情况下的附加功率。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其中在预测附加功率时，应用燃气轮机(1)的压缩机效率(50)作为特征参量。

6.根据权利要求3或4所述的方法，其中相应的特征参量标准化到基准条件。

7.根据权利要求3或4所述的方法，其中在预测附加功率时应用结构相同的和/或结构类似的燃气轮机的特征参量(64)作为比较参量。

8.根据权利要求3或4所述的方法，其中建立相应的特征参量(58、60)的时间进展的预测。

9.根据权利要求3或4所述的方法，其中根据求出的附加功率的值，在与经济性总费用的权衡中确定，燃气轮机(1)是否要暂时停机以清除污染，并且求出暂时停机的最优的时间点(34)。