CN102252850A - 用于检测燃气涡轮机硬件中的故障的系统、方法和装置 - Google Patents

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    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/80—Diagnostics

Abstract

本发明的某些实施例可包括用于检测燃气涡轮机硬件中的故障的系统、方法和装置。根据本发明的一个示例实施例，提供了一种用于检测燃气涡轮机中的故障的方法。该方法可包括监视与涡轮机相关联的参数，其中被监视的参数包括至少一个涡轮机轮叶温度，检测与涡轮机的操作相关联的事件，其中事件至少部分地基于被监视的参数，并且当检测到被监视的参数高于预定值至少预定的持续时间的事件时启动涡轮机的关闭。

Description

用于检测燃气涡轮机硬件中的故障的系统、方法和装置
技术领域
本发明一般地涉及燃气涡轮机，并且特别涉及检测燃气涡轮机硬件中的故障。
背景技术
燃气涡轮机典型地是具有昂贵部件的大型复杂的机器，这些部件必须承受有挑战性的环境条件。建造、维护和操作这些机器时常需要极大的资本投资，因此时常采取步骤，使涡轮机在仔细的控制下提速(ramp-up)和减速(ramp-down)，从而保护资本投资，并在安全限制内操作涡轮机。
然而历史已经显示在很长的时间期间都会发生某些燃烧故障，并且如果不能及时检测到这些故障以使涡轮机减速并执行校正动作的话，此类故障可能最终导致灾难性的故障。此外，根据普通的监视参数例如功率输出、电网频率或燃烧模式，一些故障可能是不可检测的。
发明内容
通过本发明的某些实施例可解决一些或所有上面的需求。本发明的某些实施例可包括用于检测燃气涡轮机硬件中的故障的系统、方法和装置。
根据本发明的一个示例实施例，提供了一种用于检测燃气涡轮机中的故障的方法。该方法可包括监视与涡轮机相关联的参数，其中被监视的参数包括至少一个涡轮机轮叶温度，检测与涡轮机的操作相关联的事件，其中该事件至少部分地基于被监视的参数，并且当检测到其中被监视的参数高于预定值至少预定的持续时间的事件时启动涡轮机的关闭。
根据另一示例实施例，提供了一种用于检测故障的系统。该系统包括燃气涡轮机、用于测量与涡轮机相关联的参数的至少一个传感器，其中该参数包括至少一个涡轮机轮叶温度。该系统还包括至少一个处理器，其被配置或编程以接收和监视来自该至少一个传感器的测量参数，检测与涡轮机的操作相关联的事件，其中该事件至少部分地基于被监视的参数，并且当检测到被监视的参数高于预定值至少预定的持续时间的事件时启动涡轮机的关闭。
根据另一示例实施例，提供了一种用于检测涡轮机中的故障的装置。该装置包括至少一个处理器，该处理器配置成接收和监视来自至少一个传感器的测量的参数，其中该测量的参数包括至少一个涡轮机轮叶温度，检测与涡轮机的操作相关联的事件，其中该事件至少部分地基于被监视的参数，并且当检测到被监视的参数高于预定值至少预定的持续时间的事件时启动涡轮机的关闭。
本文详细描述了本发明的其它实施例和方面，它们被认为是所要求保护的发明的一部分。参照以下详细说明、附图和权利要求可理解其它实施例和方面。
附图说明
现在将参考附表和附图，它们不一定是按比例绘制的，其中：
图1是根据本发明的一个示例实施例的说明性自动化燃烧硬件故障检测和关闭系统的方框图。
图2是说明根据本发明的一个示例实施例的燃烧事件计时的示例性图表。
图3是根据本发明的一个示例实施例的自动化燃气涡轮机硬件故障检测控制系统的方框图。
图4是根据本发明的一个示例实施例的示例性方法的流程图。
零部件列表
100  自动化燃气涡轮机硬件故障检测系统
102  传感器
104  数据采集模块
106  信号处理模块
108  数组
110  计时模块
112  图案识别
114  涡轮机操作参数
116  稳定性检测模块
118  保护模块
120  控制器(关闭)
200  燃烧事件计时示例
202  传感器响应
204  时间
206  初始化响应
208  初始化时间
210  事件
212  事件幅度
214  事件持续水平
216  事件持续时间
300  自动化燃气涡轮机硬件故障检测控制系统
302  控制器
304  存储器
306  处理器
308  输入/输出接口
310  网络接口
312  操作系统
314  数据(数组)
316  数据库
318  计时模块
320  图案识别模块
322  稳定性模块
324  保护模块
326  传感器
328  控制器
400  方法流程图
402  图块
404  图块
406  图块
具体实施方式
在后文中将参照在其中显示了本发明的实施例的附图更完整地描述本发明的实施例。然而，本发明可以许多不同的形式来实施，而不应该认为局限于本文所阐述的实施例，相反提供这些实施例以便使本发明公开将更为完整和完善，并将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。全文中相似的标号标识相似的元件。本发明的某些实施例可使得能够进行燃气涡轮机中的自动化硬件故障检测。根据示例实施例，可监视涡轮机的热气道(HGP)中的某些构件，以检测会导致涡轮机故障的问题。
气体燃烧器中的某些故障模式可能由于构件随着数小时、数日或数星期的过去而逐步失效或劣化而发生。根据本发明的示例实施例，提供了用于检测可能与即将发生的故障相关联的事件的系统、方法和装置。在某些示例实施例中，可利用事件检测而自动地关闭涡轮机。根据某些实施例，检测和关闭可限制进一步的损坏，并且在某些情况下，可消除灾难性(且昂贵)的涡轮机故障。
可能与涡轮机故障相关联的一个示例事件(如果未检查到)是燃烧器喷嘴故障。例如，燃烧器喷嘴可能面临高温，并且在某些情况下，喷嘴的一部分可能开始熔化。这会产生相对危险、并且有时难以检测的情况，该情况如果未被检查到，可能对热气道中的其它构件引发广泛的损伤。例如，失效喷嘴的块可能断裂并损坏其它构件，例如旋转的涡轮机叶片或轮叶，其它构件又可能断裂并损伤与涡轮机相关联的其它构件。根据示例实施例，例如可利用高温计以及其它传感装置以测量诸如轮叶辐射率、声能和/或NOX排放水平等参数。根据示例实施例，测量参数的监视和分析可使得控制系统能够识别某些事件并关闭单元，从而防止广泛的损伤。本发明的某些实施例可应用于燃气涡轮机和用于发电应用的涡轮机系统。本发明的实施例还可应用于与发动机相关联的涡轮机，例如在飞机和其它交通工具中使用的涡轮机。
根据本发明的示例实施例，现在将参照附图描述用于检测和响应与故障相关联的某些事件的各种传感器、信号处理器、图案识别模块和控制器。
图1是图示根据本发明的示例实施例的自动化燃气涡轮机硬件故障检测系统100的方框图。系统100可包括一个或多个传感器102，其用于测量与涡轮机相关联的事件和参数。在一个示例实施例中，传感器102可包括高温计传感器、辐射率传感器、温度传感器、气体传感器、摄像机、声音传感器等等。例如根据一个示例实施例，可相对于上游侧一排涡轮机叶片定位一个或多个高温计，以便其可测量来自旋转的涡轮机轮叶的温度或辐射率。根据本发明的一个示例实施例，来自失效构件(例如喷嘴)的熔化的材料可能汇集在轮叶表面上，并且在轮叶表面的辐射率或温度方面可能造成可检测到的变化。
根据本发明的一个示例实施例，自动化燃气涡轮机硬件故障检测系统100可包括一个或多个数据采集模块104，其可配置成接收和调节由传感器102测量的参数信息。为了与传感器102正确通信和/或调节从传感器102接收的信号，数据采集模块104可包括模拟数字转换器、电平移动、滤波、校准、电源等。
根据一个示例实施例，数据采集模块104可与信号处理模块106通信。在一个示例实施例中，信号处理模块106可进一步处理通过数据采集模块104而从传感器102接收的信息。例如，信号处理模块106可平均或过滤引入的数据。在某些实施例中，信号处理模块106可按比例缩放和/或格式化用于储存在数组108中的数据。
在一个示例实施例中，储存在数组108中的数据可被计时模块110和/或图案识别模块112用于检测各种引入参数上的变化，并且识别与涡轮机相关联的某些时间相关事件，其可能指示故障模式。例如，在本发明的一个实施例中，图案识别模块112可被配置或编程以分析数组108中的信息。在另一示例实施例中，图案识别模块112可配置成利用来自计时模块110的信息，用于分析作为时间的函数的测量数据。下面将参照图2进一步论述涉及本发明的图案识别方面的补充示例。
在本发明的某些示例实施例中，燃气涡轮机的各种操作模式的其中一些可能比其它操作模式更适合于确定与可能的故障相关联的事件。例如，当涡轮机正在被加速时，可测量的参数(温度、排气、空气流量、燃料流量等等)可能正常波动，但可能造成假警报或系统的关闭。因此，根据本发明的一个实施例的一个方面，稳定性检测模块116可监视涡轮机操作参数114，从而使保护模块118能够只在满足某些操作标准之后起用。例如，稳定性检测模块116可监视涡轮机操作参数114，以确定涡轮机是否已经达到稳态操作，和/或是否满足其它标准。根据本发明的一个示例实施例，稳定性检测模块116可禁止保护模块118，并防止其通过涡轮机控制器120启动系统的关闭，直到满足了稳定性标准并且已经满足某些事件标准。例如，在检测到事件并且在与涡轮机相关联的燃料流量或空气流量已经被初始化或稳定之后，可启动关闭。
根据本发明的示例实施例，在涡轮机轮叶的温度或辐射率方面的变化可能指示一种事件，其(单独或结合其它事件，例如所检测的NOX水平方面的变化，或燃烧声音特性方面的变化)可用于确定可能即将发生的故障，以便可采取预防性的措施。
图2描绘了根据本发明的一个示例实施例的示例燃烧事件计时的说明性图表。该图表200显示了作为时间204的函数的示例传感器响应202。传感器输出可响应温度或与涡轮机相关联的某些其它测量参数。在一个示例实施例中，传感器可在初始化周期208期间输出某一初始化响应206。在本发明的一个示例实施例中，且如上所述，本发明的稳定性检测方面(例如图1中的116)可使保护和/或关闭特征不起作用(例如分别如图1中的118和120)，直至初始化时间208之后。
根据本发明的一个示例实施例，一个或多个传感器可感测参数变化(例如升高的温度、变化的NOX等)。假定满足了某些标准，那么自动化燃气涡轮机硬件故障检测系统(例如图1中的100)可对变化的参数作为事件210进行分析和分类。例如，可通过幅度212、持续水平214和/或持续时间216对事件进行分类。根据本发明的某些示例实施例，监视与涡轮机相关联的参数可包括确定参数在至少一个持续时间期间的移动平均值。在一个示例实施例中，在稳定之后可能触发关闭的事件是在小于约10分钟期间，涡轮机轮叶中测量的温度升高超过约5华氏度。根据另一示例实施例，在稳定之后可能触发关闭的事件是在小于约10分钟期间，NOX排放增加超过约2ppm(百万分之一)。
根据本发明的示例实施例，当检测到事件并且在当前被监视的参数和储存的过去被监视的参数之间的差异维持在与该事件相关联的限制大约25％以上超过约1分钟时，可启动涡轮机的关闭。
图3描绘了根据本发明的一个示例实施例的自动化燃气涡轮机硬件故障检测控制系统300的方框图。根据一个示例实施例，系统300可包括控制器302，其可包括存储器304、一个或多个处理器306和输入/输出接口308。在某些示例实施例中，控制器302可包括一个或多个网络接口310。在一个示例实施例中，存储器304可包括操作系统312、数据314和各种特殊用途模块。数据314可包括数组，例如图1中的108。根据一个示例实施例，控制系统300可包括用于数据储存和检索的数据库316。
在一个示例实施例中，存储器302可包括计时模块，例如图1中的110，其被配置或编程以执行操作，包括时间戳记、格式化数据314和执行时间函数相关的操作。在某些实施例中，在计时模块318中可利用时钟，类似于图1中的110。根据一个示例实施例，存储器304还可包括图案识别模块320，类似于图1中的112。此模块可被配置或编程以检测各种引入参数方面的变化，并识别与涡轮机相关联的某些时间相关事件，其可能指示故障模式。例如，在本发明的一个实施例中，图案识别模块320可被配置或编程以分析数组108中的信息。在另一示例实施例中，图案识别模块320可配置成利用来自计时模块318的信息，以用于分析作为时间的函数的测量数据。在本发明的某些实施例中，图案识别模块320可执行参照图2所述的功能。例如，如果满足某些标准，图案识别模块320可对变化的参数和事件进行分析和分类。
根据一个示例实施例，并继续参照图3，存储器304可包括保护模块324，其可类似于图1中的118。保护模块324可从图案识别模块112接收信息，并可与来自稳定性模块322的指令协作而利用此信息，从而在满足某些事件标准时启动涡轮机的关闭，稳定性模块322可能类似于图1中的116。例如，稳定性模块322可监视涡轮机操作参数，例如图1中的114，以确定涡轮机是否已经达到稳态操作，和/或是否满足其它标准。根据本发明的一个示例实施例，稳定性模块322可禁止保护模块324，并防止其通过与图1中的120相似的涡轮机控制器328而启动系统的关闭，直至满足稳定性标准并且满足某些事件标准。例如，当检测到事件并且在与涡轮机相关联的燃料流量或空气流量已经初始化或稳定之后，可启动关闭。
现在将参照图4的流程图来描述一种用于检测燃气涡轮机中的故障的示例方法。该方法400开始于图块402，此处根据本发明的一个示例实施例，该方法400包括监视与涡轮机相关联的参数，其中该参数包括至少一个涡轮机轮叶温度。在图块404中，该方法400包括检测与涡轮机操作相关联的事件，其中事件至少部分地基于被监视的参数。在图块406中，该方法400包括当检测到其中被监视的参数高于预定值至少预定的持续时间的事件时启动涡轮机的关闭。该方法400在图块406之后结束。
因此，本发明的示例实施例可提供创造某些系统、方法和装置的技术效果，这些系统、方法和装置提供与涡轮机相关联的事件的检测。本发明的示例实施例可提供进一步的技术效果，即提供用于对与涡轮机相关联的故障模式或可能的故障模式相关联的检测事件进行分类的系统、方法和装置。本发明的示例实施例可提供进一步的技术效果，即提供用于如果检测到某些事件就启动涡轮机的自动关闭，从而预防涡轮机进一步的损伤，并且在某些情况下避免灾难性的涡轮机故障的系统、方法和装置。
在本发明的示例实施例中，自动化燃气涡轮机硬件故障检测系统100和/或自动化燃气涡轮机硬件故障检测控制系统300可包括被执行以促进任何操作的任何数量的硬件和/或软件应用。
在示例实施例中，一个或多个I/O接口可促进在自动化燃烧硬件故障检测和关闭系统100和/或自动化燃气涡轮机硬件故障检测控制系统300与一个或多个输入/输出设备之间的通信。例如，通用串行总线端口、串行口、磁盘驱动器、CD-ROM驱动器和/或一个或多个用户接口装置，例如显示器、键盘、数字键盘、鼠标、控制面板、触摸屏显示器、麦克风等等可促进用户与自动化燃气涡轮机硬件故障检测系统100和/或自动化燃气涡轮机硬件故障检测控制系统300的交互作用。一个或多个I/O接口可用于从广泛的输入设备接收或收集数据和/或用户指令。在本发明的各种实施例中所接收的数据可由一个或多个计算机处理器按需要进行处理和/或储存在一个或多个存储装置中。
一个或多个网络接口可促进自动化燃气涡轮机硬件故障检测系统100和/或自动化燃气涡轮机硬件故障检测控制系统300的输入和输出至一个或多个合适的网络和/或连接的连接；例如促进与该系统相关联的任何数量的传感器进行通信的连接。一个或多个网络接口可进一步促进与一个或多个合适的网络的连接；例如，局域网、广域网、国际计算机互联网、蜂窝式网络、无线射频网络、蓝牙TM使能网络、Wi-FiTM使能网络、基于卫星的网络、用于与外部设备和/或系统通信的任何有线网络、任何无线网络等。
按照需要，本发明的实施例可包括自动化燃气涡轮机硬件故障检测系统100和/或自动化燃气涡轮机硬件故障检测控制系统300，其具有更多或更少图1和图3中所示的构件。
上面参照根据本发明的示例实施例的系统、方法、装置和/或计算机程序产品的框图和流程图描述了本发明。应该懂得，框图和/或流程图的一个或多个图块以及框图和流程图中的图块的组合可分别通过计算机可执行的程序指令来实现。类似地，根据本发明的一些实施例，可能不需要按呈现的顺序执行、或者可能根本不需要执行方框图和流程图的一些图块。
这些计算机可执行的程序指令可加载到通用计算机、专用计算机、处理器或其它可编程数据处理装置上，从而产生特殊的机器，使得在计算机、处理器或其它可编程数据处理装置上执行的指令产生用于执行流程图图块中所规定的一个或多个功能的手段。这些计算机程序指令还可储存在计算机可读取存储器中，其可指示计算机或其它可编程数据处理装置以特殊的方式起作用，使得储存在计算机可读存储器中的指令可产生包括指令手段制品，其实施流程图图块中所规定的一个或多个功能。作为一个示例，本发明的实施例可提供一种计算机程序产品，包括计算机可用介质，其具有内置的计算机可读取程序代码或程序指令，所述计算机可读取程序代码适合于被执行以实施流程图图块中所规定的一个或多个功能。计算机程序指令还可加载到计算机或其它可编程数据处理装置上，以促使在计算机或其它可编程装置上执行一系列操作元素或步骤，从而产生计算机实施的过程，使得计算机或其它可编程装置上所执行的指令提供用于执行流程图图块中所规定的功能的要素或步骤。
因此方框图和流程图的图块支持用于执行规定功能的手段的组合、用于执行规定功能的要素或步骤以及用于执行规定功能的程序指令手段的组合。还将会懂得，方框图和流程图中的各个图块，以及方框图和流程图中的图块组合可由基于硬件的专用计算机系统来执行，其执行规定的功能、要素或步骤、或专用硬件和计算机指令的组合。
虽然已经结合目前被认为是最实际且最优选的实施例描述了本发明，但是应该懂得本发明并不局限于所公开的实施例，相反，其意图覆盖包含在所附权利要求的范围内的各种变体和等效装置。虽然这里采用了特定的术语，但其仅仅是以普通和描述性的意义而使用的，而非用于限制性的目的。
本文使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域中的技术人员能够实践本发明，包括制造和利用任何装置或系统，并执行任何所含方法。在权利要求中限定了本发明可取得专利的范围，并且其可包括本领域中的技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有并非不同于权利要求字面语言的结构元件，或者如果其包括与权利要求字面语言无实质差异的等效的结构元件，那么这些其它示例都属于权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于检测燃气涡轮机中的故障的方法，包括：
监视与所述涡轮机相关联的参数，其中被监视的参数包括至少一个涡轮机轮叶温度；
检测与所述涡轮机的操作相关联的事件，其中所述事件至少部分地基于所述被监视的参数；且
当检测到其中所述被监视的参数高于预定值至少预定的持续时间的事件时启动所述涡轮机的关闭。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，与所述涡轮机燃烧器相关联的所述被监视的参数还包括以下参数的至少其中一个：轮叶辐射率、声能或NOX排放水平。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在与所述涡轮机相关联的燃料流量或空气流量已经初始化或稳定之后检测到所述事件时启动关闭。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，监视与所述涡轮机相关联的参数包括确定所述参数在至少一个持续时间期间的移动平均值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，事件包括在小于大约10分钟期间涡轮机轮叶温度升高超过大约5华氏度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，事件包括在小于大约10分钟期间NOX排放增加超过大约2ppm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当已经检测到事件并且在当前被监视的参数和储存的过去被监视的参数之间的差异维持在与所述事件相关联的限制范围以上大约25％超过约1分钟时发生启动所述涡轮机的关闭。
8.一种用于检测故障的系统，包括：
燃气涡轮机；
至少一个传感器(322)，其用于测量与所述涡轮机相关联的参数，其中测量参数包括至少一个涡轮机轮叶温度；
至少一个处理器(306)，其配置成：
从所述至少一个传感器(322)接收和监视所述测量参数；
检测与所述涡轮机的操作相关联的事件，其中所述事件至少部分地基于被监视的参数；且
当检测到其中所述被监视的参数高于预定值至少预定的持续时间的事件时启动所述涡轮机的关闭。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述至少一个传感器(322)可进一步操作，以测量如下参数中的至少一个参数：轮叶辐射率、声能或NOX排放水平。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述至少一个处理器(306)进一步配置成在与所述涡轮机相关联的燃料流量或空气流量已经初始化或稳定之后检测与所述涡轮机的操作相关联的事件。
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