CN103075257A

CN103075257A - 涡轮机径向传感器测量

Info

Publication number: CN103075257A
Application number: CN2012104147260A
Authority: CN
Inventors: D.A.施耐德; H.L.小乔丹; C.R.霍尔森贝克
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2013-05-01
Also published as: EP2586998A2; US20130103323A1

Abstract

本发明涉及涡轮机径向传感器测量的方法。所述方法包括：沿燃气涡轮机流路中的现有支杆安装第一多个传感器，其用于在沿支杆的径向位置处测量第一参数；以及沿燃气涡轮机流路中的现有支杆安装第二多个传感器，其用于在沿支杆的径向位置处测量第二参数。所述方法还包括收集有关第一参数和第二参数的、来自第一多个传感器和第二多个传感器中的每个传感器的数据。使用该数据来计算第一参数以及第二参数。使用位于第一多个传感器中的每个传感器处的第一参数来生成第一参数的实际曲线图。使用位于第二多个传感器中的每个传感器处的第二参数来生成第二参数的实际曲线图。

Description

涡轮机径向传感器测量

技术领域

本发明涉及涡轮机，确切而言，涉及对燃气涡轮机中的条件（conditions）进行的径向测量。

背景技术

由于出现了燃气涡轮机的基于模型的控制，并且越来越强调对涡轮机性能以及回热式汽轮发电机（heat recovery steam generator，“HRSG”）的寿命和性能的改进，因此需要更好地理解燃气涡轮机的性能。

目前，燃气涡轮机中的现有生产仪器通常在多个位置处对性能特性进行周向测量，但仅在一个位置处进行径向测量。

在对燃气涡轮机进行性能测试期间，通常将耙形仪器（rake）放置在围绕涡轮机框架的多个周向位置处，所述耙形仪器在沿流路的若干径向位置处测量给定参数。这些耙形仪器测量燃气涡轮机的给定参数的更完整分布，并且可用于定义燃气涡轮机站的仪器测量的校正。但是，这些耙形仪器通常不够稳固（robust），而不能用作长期生产仪器。由于动态响应的问题，生产耙形仪器的设计面临挑战，即，在高温和/或流动环境下的机械稳固性。另外，任何这种设计对涡轮机性能产生的影响必须是可忽略的。

发明内容

以下说明将阐明本发明的各方面内容和优点，或者，这些方面和优点在说明中可能是显而易见的，或者通过实施本发明能够获悉。

在本发明的一个示例性实施例中，描述了对燃气涡轮机流路的参数进行测量的方法。所述方法包括：沿燃气涡轮机流路中的一个或多个现有支杆（Strut）安装第一多个传感器（a first plurality of sensors），所述第一多个传感器用于在沿所述一个或多个支杆的一个或多个径向位置处测量第一参数；以及沿燃气涡轮机流路中的一个或多个现有支杆安装第二多个传感器（a second plurality of sensors），所述第二多个传感器用于在沿所述一个或多个支杆的一个或多个径向位置处测量第二参数。所述方法进一步包括收集有关第一参数和第二参数的数据，所述数据来自位于所述一个或多个支杆处的第一多个传感器和第二多个传感器中的每个传感器。使用所述数据计算位于所述一个或多个支杆的第一多个传感器中的每个传感器处的燃气涡轮机流路第一参数，以及位于所述一个或多个支杆的第二多个传感器中的每个传感器处的燃气涡轮机流路第二参数。使用位于第一多个传感器中的每个传感器处的燃气涡轮机流路第一参数来生成燃气涡轮机流路第一参数的实际曲线图（profile）。使用位于第二多个传感器中的每个传感器处的燃气涡轮机流路第二参数来生成燃气涡轮机流路第二参数的实际曲线图。

在本发明的另一个示例性实施例中，描述了用于对燃气涡轮机流路的参数进行测量的系统。所述系统包括：一个或多个现有支杆，所述一个或多个现有支杆位于燃气涡轮机流路中；第一多个传感器，所述第一多个传感器用于在沿所述一个或多个支杆的一个或多个径向位置处测量第一参数；第二多个传感器，所述第二多个传感器用于在沿所述一个或多个支杆的一个或多个径向位置处测量第二参数；以及计算机系统，所述计算机系统连接至第一多个传感器和第二多个传感器。所述计算机系统执行的步骤包括：收集有关第一参数和第二参数的数据，所述数据来自位于所述一个或多个支杆处的第一多个传感器和第二多个传感器中的每个传感器。使用所述数据来计算位于所述一个或多个支杆的第一多个传感器中的每个传感器处的燃气涡轮机流路第一参数，以及位于所述一个或多个支杆的第二多个传感器中的每个传感器处的燃气涡轮机流路第二参数。使用位于第一多个传感器中的每个传感器处的燃气涡轮机流路第一参数来生成燃气涡轮机流路第一参数的实际曲线图。使用位于第二多个传感器中的每个传感器处的燃气涡轮机流路第二参数来生成燃气涡轮机流路第二参数的实际曲线图。

参考以下具体实施方式和所附权利要求书可以更好地理解本发明的这些以及其他特征、方面和优点。附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分，图示了本发明的各个实施例，并与具体实施方式一起解释本发明的原理。

附图说明

本说明书的其余部分参考附图，针对所属领域的技术人员，完整且可实现地详细揭示了本发明，包括其最佳模式，其中：

图1是图示典型燃气涡轮机的各个部件的简图。

图2是典型燃气涡轮机废气框架（exhaust frame）的后视平面图，其中所述废气框架包括多个废气支杆（exhaust strut）。

图3是支杆的局部透视图，所述支杆是燃气涡轮机废气框架的一部分。

元件符号列表：

具体实施方式

现在将详细参考本发明的各个实施例，附图中图示了本发明实施例的一个或多个实例。各个实例用以解释本发明而非限制本发明。事实上，所属领域的技术人员容易了解，在不脱离本发明的范围或精神的前提下，可对本发明做出不同修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分进行说明或描述的特征可与另一个实施例一起使用，从而得到又一个实施例。因此，本发明应涵盖属于所附权利要求书及其等效物的范围内的此类修改和变化。

本发明涉及提供燃气涡轮机的燃气涡轮机流路之内的性能参数的实时径向分布。传感器优选安装在支杆处，其位于沿所述流路的若干径向位置处。使用来自每个支杆中的传感器的数据，生成某个燃气涡轮机参数的归一化（normalized）径向曲线图。随后，使用现有站仪器来将所述归一化径向曲线图扩展成被测量参数的实际曲线图。在用全部耙形仪器进行性能测试期间，可对计算/转换函数进行校验或校准。根据被测量参数，所述曲线图可合并以改进燃气涡轮机控制，或者为轮叶平台或其他涡轮机部件提供保护作用，其中所述燃气涡轮机控制包括基于模型的控制或校正参数控制（MBC/CPC控制）。

本说明书所用的术语“参数”是指有关涡轮机流路的可被测量的任何条件。本发明考虑由本说明书中所述的机构进行测量的一个或多个参数，尤其考虑由本说明书中所述的机构进行测量的一个或多个参数。结合本发明，可使用多种传感器来确定不同参数。例如，温度传感器可监测燃气涡轮发动机系统的周围温度、压缩机废气温度、涡轮机废气温度以及通过燃气涡轮发动机的气流的其他温度测量。压力传感器可监测周围压力，以及压缩机入口和出口、涡轮机废气处以及通过燃气涡轮机的气流中的其他位置处的静压力和动压力水平。干湿球湿度计（wet and dry bulb thermometers）等湿度传感器测量压缩机的入口管道中的湿度。传感器还可以包括流量传感器、温度和压力（静压力和动压力）、湿度、成分、气体成分传感器以及对与燃气涡轮发动机系统的操作相关的不同参数进行感测的其他传感器。

如上文所论述，本发明涉及对涡轮机中的不同参数的测量，测量中不增加用于这类测量的耙形仪器或新的结构。相反，多个传感器被施用在从涡轮机流路上跨越的任何结构部件的若干径向位置处。这种部件可包括喇叭口（bell mouth）支杆、CDC支杆或类似部件。传感器可定位在支杆内部或外部，位于支杆的前缘和/或后缘处。转换函数在被测量支杆参数与基于涡轮机调试数据的流路中的同一参数之间定义，所述涡轮机调试数据通过性能耙形仪器和/或分析来采集。给定有限数目的支杆，以及周向曲线图、变化涡流（variation swirl）等的分裂性质（lobed nature），传感器不用于定义绝对参数曲线图。相反，传感器被用于定义特性或归一化径向曲线图，通过使用涡轮机的现有站仪器，所述归一化径向曲线图扩展成实际径向曲线图。

使用转换函数来计算安装在支杆的内部或外部的每个传感器处的流路参数。随后，使用例如回归分析对来自所有支杆的径向参数进行额外处理，从而生成归一化径向参数曲线图。此方法解决了周向分布以及在有限数目个周向位置处测量径向曲线图的问题。例如，使用典型涡轮机站仪器对归一化曲线图进行扩展或校准，随后，所述归一化曲线图可合并成宏观参数（bulk parameter），或者可馈送至保护控制回路中，从而（例如）避免轮叶平台处的温度过高或用于类似应用。现有参数测量发生在一个径向位置处，并且校正被应用于宏观参数的计算。此校正不是恒定不变的。此校正随负载、燃烧室模式等变化。本发明的方法可能提供与成本较低且可靠性高得多的生产耙形仪器的益处相同的益处。本发明的方法建立了基于实时进行的校正，该校正针对任何给定的循环条件或燃烧室分开裂口（combustor split）。本发明的方法还提供了额外信息以控制系统，所述额外信息与所有径向位置处的参数有关。在安装好性能耙形仪器之后，每个耙形仪器将若干传感器放置在沿涡轮机的不同径向位置处。通常，沿周向定位大量耙形仪器来测量特定参数。在周向上，此参数可以不一致。性能耙形仪器提供遍及流场的数据，足以计算参数的平均值。

虽然性能耙形仪器可对给定参数进行最优测量，但是性能耙形仪器不够稳固，不能长期使用。对于长期仪器（或“站”仪器），通常是单个传感器，所述单个传感器装配在流路中，其位于单个径向位置处，并位于大量（例如，二十七个）周向位置处。这样能解决周向参数分布，但不能获得径向分布。为了对径向分布进行校正，对来自性能耙形仪器的平均值与来自站仪器的平均值进行比较。随后，使用此比率来校正站测量，从而使站测量与更准确的测量一致。站仪器的设计尝试以径向位置为目标，在径向位置处，被测量参数也将是平均参数。因此，所述比率通常接近1.0。平均参数值通常用于燃气涡轮机控制并且取决于此校正因数。由于校正通常根据经验来确定，因此，使用接近ISO日基本负载（ISO day base load）和单个值来提供对基本负载的最佳理解。参数比率可随负载、周围温度、退化、燃烧温度或取决于被测量特定参数的其他因素而变化。

置于支杆之间的中心且位于给定径向位置处的传感器通常会对特定参数进行“清空（clean）”测量。装配在位于同一径向位置处的一个支杆的外部上的另一个传感器可能具有热效应和空气效应（aeroeffect），可能使传感器进行不同的但与置于中心位置的传感器所进行的测量相关的测量。所使用的转换函数是，例如，总质量流量与废气压力的函数。转换函数是由传感器在支杆上的轴向和径向位置决定的。因此，例如，支杆的前缘的转换函数可不同于支杆的后缘的转换函数。

如上文所述，本发明考虑由本说明书所述的机构进行测量的一个或多个参数。结合本发明，可使用多种传感器来确定不同参数。在本发明的某些实施例中，第一多个传感器可用来测量第一参数，而第二多个传感器可用来测量第二参数。在一个实施例中，一个或多个传感器装配在支杆的外部表面上。在另一个实施例中，一个或多个传感器装配在支杆的内部。如果要求仪器得到更多保护且更耐用，则需要此实施例。在此实施例中，支杆内部的测量与支杆外部的测量有关，并且清空参数（clean parameter）也是如此。随后，使用转换函数来结合这两个值。

在另一个实施例中，使用了传感器的复合仪器。在现有站仪器能进行一个径向位置处的准确周向测量的情况下，需要考虑径向分布。使用单个支杆上的所有传感器来定义该支杆处的径向曲线图。对此曲线图进行归一化，并计算所有支杆的所有归一化曲线图的平均值，从而定义参数的归一化径向曲线图。使用位于站仪器的径向位置处的被测量参数来扩展在燃气涡轮机控制系统中使用的归一化径向曲线图。此复合仪器或归一化方法可与位于支杆上或支杆中的任何位置处的传感器一起使用。

转换函数可通过分析来确定，但在通常情况下，转换函数通过测试产生。

图1是图示典型燃气涡轮机系统10的部件的简图。燃气涡轮机系统10包括：（i）压缩机12，所述压缩机12将进入的空气11压缩至高压；（ii）燃烧室14，所述燃烧室14燃烧燃料13以形成高压、高速热气17；以及（iii）涡轮机16，所述涡轮机16提取从燃烧室14进入涡轮机16的所述高压、高速热气17中的能量，从而通过热气17旋转。由于涡轮机16旋转，因此也使得连接至涡轮机16以及压缩机12的轴18旋转。最后，废气19排出涡轮机16。称作站仪器36的长期仪器对位于燃气涡轮机中的不同位置处的循环条件进行测量。此仪器为燃气涡轮机的控制系统42提供输入，所述燃气涡轮机的控制系统42将按照控制规则中定义的方式来改变燃气涡轮机执行器（effectors）。

如上文所论述，本发明在使用时可结合从涡轮机流路上跨越的任何适合的结构部件。例如，图2是涡轮机16的废气框架20的后视平面图。废气框架20包括通过多个径向延伸的支杆26相互连接的外圆筒22和内圆筒24。废气框架20通常容纳来自涡轮机16的废气扩压器（未图示）的废气19。

在图2所示的废气框架20中，存在总共六个径向延伸的支杆26，所述六个支杆26使外圆筒22与内圆筒24相互连接。图3是对使外圆筒22与内圆筒24相互连接的所述径向延伸支杆26中的一个支杆26进行更详细图示的局部透视图。支杆26各自包括相对于从涡轮机的废气扩压器流出的废气19的前缘28和后缘30。

多个传感器32沿废气框架支杆26的表面38安装在若干位置处，所述若干位置从内圆筒24沿径向延伸出去。图3中所示的传感器32图示成安装在多个径向位置处，所述径向位置位于每个废气支杆26的表层38内部。但是，传感器32可位于支杆内部或外部，以及位于支杆的前缘和/或后缘处。传感器位置还可以是多个位置的混合，所述多个位置包括支杆内部和外部以及支杆的前缘和后缘处。

使用来自每个支杆26中的传感器32的参数数据来生成涡轮机16的特定参数的归一化径向曲线图。随后，使用涡轮机的现有站仪器36将所述归一化曲线图扩展成涡轮机的被测量特定参数的实际曲线图。出于此目的，涡轮机的现有站仪器36优选包括适合的计算机系统，所述计算机系统可以是用于执行以生成涡轮机16的不同参数的曲线图的计算的燃气涡轮机控制系统42。在用全部耙形仪器进行性能测试期间，对参数的计算/转换函数进行校验或校准。

虽然未在图1中进行具体图示，但是计算机系统42通常会包括中央处理器（CPU）以及使不同计算机部件连接至CPU的系统总线。所述系统总线可以是若干类型总线结构中的任何总线结构，包括存储器总线或存储控制器、外围总线以及使用多种总线体系结构（busarchitecture）中的任何总线体系结构的局域总线。计算机系统42使用的存储器通常也会包括随机存取存储器（RAM）以及从（通常固定的）磁性硬盘读取并写入所述磁性硬盘的一个或多个硬盘驱动器。包括基本例行程序的基本输入/输出系统（BIOS）也可存储在只读存储器（ROM）中，其中所述基本例行程序，例如，在启动过程中，帮助在计算机系统之内的元件之间转换信息。计算机系统42还可包括用于访问其他计算机可读媒体的其他类型驱动器，所述计算机可读媒体是，例如，可移动“软”盘，或光盘，例如，CD ROM。硬盘、软盘和光盘驱动器通常分别通过硬盘驱动器接口、软盘驱动器接口和光盘驱动器接口连接至系统总线。驱动器以及其相关联的计算机可读媒体能非易失性地存储计算机可读指令、数据结构、程序模块以及计算机系统42等机器所使用的其他数据。计算机系统42还将包括用于连接至传感器32等外部装置的输入/输出（I/O）装置（未图示）和/或通信装置（未图示）。此类I/O和通信装置可以是内部的或外部的，并且通常经由串行或并行端口接口连接至计算机系统总线。计算机系统42还可包括其他典型外围装置，例如，打印机、显示器和键盘。通常，计算机系统42会包括监视器（未图示），不同信息显示在所述监视器上。

本发明的用于测量涡轮机中的某个参数分布的方法能在不增加耙形仪器的情况下改进对此参数分布的测量。相反，将多个传感器32施用于沿涡轮机16的流路的支杆26的若干径向位置处。使用转换函数来计算每个传感器32处的流路参数。对来自所有支杆26的径向参数进行额外处理（例如，回归分析或类似处理）以生成归一化径向参数曲线图。此方法解决了周向分布以及在有限数目个周向位置处测量径向曲线图的问题。使用站仪器36对归一化曲线图进行扩展或校准，随后所述归一化曲线图合并成宏观参数，或者如上文所论述，可馈送至保护控制回路中。

本发明的技术效果是燃气涡轮机的改进的性能和/或操作。具体而言，本发明的方法的潜在益处包括：改进了排放控制；改进了热气通道和HRSG寿命；通过调节分开（split）以最小化关键位置处的温度，增大了最高燃烧能力；以及类似益处。本发明的方法的技术优点包括：改进了基于模型的控制系统的输入，从而改进了模式调整；以及改进了对进入HRSG的不同参数的理解。

本说明书使用了多个实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书限定，并可包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或者如果其他此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则其他此类实例也属于权利要求书的范围。

Claims

1.一种对燃气涡轮机流路的参数进行测量的方法，所述方法包括以下步骤：

沿所述燃气涡轮机流路中的一个或多个现有支杆安装第一多个传感器，所述第一多个传感器用于在沿所述一个或多个支杆的一个或多个径向位置处测量第一参数；以及沿所述燃气涡轮机流路中的所述一个或多个现有支杆安装第二多个传感器，所述第二多个传感器用于在沿所述一个或多个支杆的一个或多个径向位置处测量第二参数；

收集有关所述第一参数和所述第二参数的数据，所述数据来自位于所述一个或多个支杆处的所述第一多个传感器和所述第二多个传感器中的每个传感器；

使用所述数据计算位于所述一个或多个支杆的所述第一多个传感器中的每个传感器处的燃气涡轮机流路第一参数，以及位于所述一个或多个支杆的所述第二多个传感器中的每个传感器处的燃气涡轮机流路第二参数；

使用位于所述第一多个传感器中的每个传感器处的所述燃气涡轮机流路第一参数来生成所述燃气涡轮机流路第一参数的实际曲线图；以及

使用位于所述第二多个传感器中的每个传感器处的所述燃气涡轮机流路第二参数来生成所述燃气涡轮机流路第二参数的实际曲线图。

2.根据权利要求1所述的方法，其中使用数学模型根据支杆传感器数据来计算涡轮机气体流路第一参数和第二参数。

3.根据权利要求1所述的方法，其中使用回归分析来生成来自气体流路的燃气涡轮机第一参数的归一化径向第一参数曲线图以及来自所述气体流路的燃气涡轮机第二参数的归一化径向第二参数曲线图。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一参数包括所述燃气涡轮机流路中的压力，而所述第一多个传感器包括压力传感器。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一参数包括所述燃气涡轮机流路中的压力，而所述第一多个传感器包括压力传感器。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第二参数包括气体成分，而所述第二多个传感器包括气体成分传感器。

7.根据权利要求1所述的方法，其中使用实际第一和第二曲线图作为燃气涡轮机控制的输入，从而为选择的涡轮机部件提供保护作用、改进的性能或以上各者的组合。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述选择的涡轮机部件是涡轮机轮叶。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一多个传感器、所述第二多个传感器或以上各者的组合安装在所述一个或多个支杆上或安装在所述一个或多个支杆内部，且位于所述一个或多个支杆的前缘处。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一多个传感器、所述第二多个传感器或以上各者的组合安装在所述一个或多个支杆上或安装在所述一个或多个支杆内部，且位于所述一个或多个支杆的后缘处。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一多个传感器、所述第二多个传感器或以上各者的组合安装在所述一个或多个支杆上，且位于所述一个或多个支杆的前缘与后缘之间。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一多个传感器、所述第二多个传感器或以上各者的组合安装在所述一个或多个支杆内部，且位于所述一个或多个支杆的前缘与后缘之间。

13.一种用于对燃气涡轮机流路的参数进行测量的系统，所述系统包括：

一个或多个现有支杆，所述一个或多个现有支杆位于所述燃气涡轮机流路中；

第一多个传感器，所述第一多个传感器用于在沿一个或多个支杆的一个或多个径向位置处对第一参数进行测量；以及第二多个传感器，所述第二多个传感器用于在沿所述一个或多个支杆的一个或多个径向位置处对第二参数进行测量；以及

计算机系统，所述计算机系统连接至所述第一多个传感器和所述第二多个传感器，所述计算机系统执行以下步骤：

14.根据权利要求13所述的系统，其中数学模型用于根据支杆传感器数据来计算涡轮机气体流路第一参数和第二参数。

15.根据权利要求14所述的系统，其中回归分析用于生成来自气体流路的燃气涡轮机第一参数的归一化径向第一参数曲线图，以及来自所述气体流路的燃气涡轮机第二参数的归一化径向第二参数曲线图。

16.根据权利要求13所述的系统，其中所述第一参数包括所述燃气涡轮机流路中的压力，而所述第一多个传感器包括压力传感器。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述第二参数包括气体成分，而所述第二多个传感器包括气体成分传感器。

18.根据权利要求13所述的系统，其中所述第一多个传感器、所述第二多个传感器或以上各者的组合安装在所述一个或多个支杆上或安装在所述一个或多个支杆内部，且位于所述一个或多个支杆的前缘处、后缘处或位于所述前缘与所述后缘之间。

19.根据权利要求13所述的系统，其中所述第一多个传感器、所述第二多个传感器或以上各者的组合安装在所述一个或多个支杆的表面上或安装在所述一个或多个支杆的所述表面内部，且位于所述一个或多个支杆的前缘处、后缘处或位于所述前缘与所述后缘之间。

20.根据权利要求13所述的系统，其中燃气涡轮机站仪器用于将归一化径向第一参数和第二参数曲线图扩展成相应燃气涡轮机参数的实际曲线图。