CN105074413A - 用于燃气轮机的自动测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气轮机系统，包括用于产生功率的燃气涡轮机(101)、用于控制燃气涡轮机(101)的控制单元(102)、包括热力学模型单元(104)和测试序列单元(105)的数据采集系统(108)、耦合到燃气涡轮机(101)用于测量燃气涡轮机(101)的性能参数(115)的传感器设备(103)、和比较单元(109)。热力学模型单元(104)基于燃气涡轮机(101)的机械模型(106)和基于燃气涡轮机(101)的热力学模型(107)产生计算的性能参数(113)。测试序列单元(105)产生包括设置点运行数据和时间表数据的测试序列数据(114)，利用该测试序列数据燃气涡轮机(101)的测试循环可运行。数据采集系统(108)基于测试序列数据(114)产生测试控制数据(112)，其中数据采集系统(108)耦合到控制单元(102)，用于向控制单元(102)提供测试控制数据(112)，使得可以基于测试控制数据(112)燃气涡轮机(101)是可控制的。比较单元(109)耦合到数据采集系统(108)，使得由传感器设备(103)所测量的性能参数(115)能与计算的性能参数(113)进行比较。

Description

用于燃气轮机的自动测试系统

技术领域

本发明涉及包括测试系统的燃气轮机和用测试程序操作燃气轮机系统的方法。

背景技术

工业燃气涡轮机被设计用于产生机械或电功率。在一定的运行时间之后，例如，在修理或翻修之后，为了检查工业燃气涡轮机是否仍然正确运行，需要进行燃气涡轮机与预定运行点一起在其下运行的测试序列。每个运行点指定一组表示发动机应运行的状态的设置点。

在现有的工业燃气涡轮机中，燃气涡轮机的测试序列是手动启动的。操作员通过控制设备手动地控制工业燃气涡轮机，使得燃气涡轮机以由测试循环预定义的预定设置点运行。例如，在认证或工业燃气涡轮机的性能测试中产生预定测试循环。

因此，为了引导工业燃气涡轮机的测试序列，手动地启动和控制测试循环的操作员是必须的。进一步地，在认证测试中预定义的测试序列通常与测试运行参数值和实际燃气涡轮机暴露的环境参数是不一致的。对于这种偏差的一些原因，可以在工业燃气轮机测试时和其日常使用时的气候(例如温度和海拔)和燃料成份的差异中找到。

US4,821,217公开了一种可编程测试站，其自动执行喷气飞机发动机的电动和气动系统的静态测试。测试站在每个发动机上自动模拟将测试的系统并测量它们的响应。可编程数据采集计算机同时控制刺激和测量值，并产生数据。站同时可操作地连接到多个发动机，并根据站用户指令测量每一个上的特定系统。

US4,389,710公开了用于练习和测试在飞机制动系统中的防滑和自动制动控制电路的可操作性的测试电路。数字处理器和与每个防滑控制电路和自动制动系统阀驱动器有关的接口电路通信。每一个这样的接口电路包括从处理器接收电刺激并应用同样的电刺激至相关的防滑控制电路或自动制动系统阀驱动器中的各种测试点的模拟开关。模拟选择器连接到防滑控制电路和自动制动系统阀驱动器中的各种测试点，以感应对电刺激的响应，并将这种响应传递至处理器，以确定防滑和自动制动控制系统的可操作性。

US5,521,824公开了使用超前-滞后控制的发动机测试装置。运行接口产生控制模式信号和多个设置点。操作员还包括用于接收控制模式信号和多个设置点，并响应运行发动机测试装置的测试控制器。测试控制器感应发动机测试装置的运行特性。测试控制器还根据控制模式信号选择地运行发动机测试装置参数。

US8,161,806公开了用于在其运行期间监测飞机的燃气涡轮机的发动机性能参数的方法。方法包括感应性能参数，产生模拟传感器输出，通过用至少一个接近发动机安装的轮毂单元决定模拟传感器输出生成数字数据。

US4,215,412公开了飞机的燃气涡轮机的实时性能监测。监测系统包括使用一组标量系数和各个发动机运行参数的电流值的数字处理器，以预测一组发动机性能参数的电流值。监测这些性能参数的实际值，并将其与预测值比较，以提供航空信号的偏差至使用数字处理器提供故障指示的监测逻辑。

EP1288644公开了用于涡轮机的诊断方法和诊断系统。系统评估在燃气涡轮机的测试期间检测到的故障是否与发动机的性能问题或者与发动机性能无关的一些其它异常有关。在一个性能条件下评估发动机的一个性能参数，以产生第一组当前发动机数据，然后将其与第一组之前的发动机数据比较，以确定是否存在异常。

EP2175336A1描述了为了保持最令人满意的性能，用于在整个时间期间监测燃气涡轮机性能以及补偿在扩展运行期间遭受的退化的方法。

EP2249004A2描述了自动控制燃气涡轮机的推力输出，以补偿在整个期间可能发生的退化的方法和系统。

EP2175336A1andEP2249004A2的每一个公开了预测模型，其基于发动机进气条件和参考参数，例如燃料输入，计算可以由标准或参考发动机获得的性能。来自运行发动机的测量值与来自模型的等效预测参数比较，并作为调节一个或多个控制参数的基础，例如燃料系统增益或者压力比例限制等。

发明内容

本发明的一个目的可以是提供在实时条件下的工业燃气涡轮机的自动测试。

本发明是测试燃气涡轮机的方法，通常在交付给客户之前，并可以用闭环控制自动执行，以得到目标性能参数，例如电力输出、燃料消耗或者排放。本方法给出了运行中的发动机的测量值的分析模型，其计算不能直接测得的热力学参数，例如燃烧室出口温度或者标准化速度(N/根(进气温度))。然后反馈这些参数至控制器或控制设备，当它们在闭环中使用时，用于设置发动机测试运行点，以给出在预定测试序列中的指定值的这些参数值。

可以通过燃气轮机系统和根据独立权利要求运行燃气轮机系统的方法来达到该目的。

根据本发明的第一方面，提出了一种燃气轮机系统。燃气轮机系统包括用于发电的燃气涡轮机、用于控制燃气涡轮机的控制单元、传感器设备、比较单元和包括热力学模型单元和测试序列单元的数据采集系统。

传感器设备耦合到燃气涡轮机，用于测量燃气涡轮机的性能参数。

热力学模型单元基于燃气涡轮机的机械模型和燃气涡轮机的热力学模型产生计算性能参数。

测试序列本身可以由有资格的人员或者测试序列单元设计并由有资格的人员输入至控制单元。测试序列数据包括设置点运行数据和时间表数据，燃气涡轮机的测试循环可利用测试序列数据运行。

数据采集系统基于测试序列数据产生测试控制数据。数据采集系统耦合到控制单元，以提供测试控制数据至控制单元，使得燃气涡轮机测试控制数据是可控制的。

比较单元耦合到数据采集系统，使得由传感器设备测得的测量性能参数能在测试循环期间或测试循环终止之后与计算性能参数比较。

例如，燃气涡轮机包括压缩区、燃烧区和涡轮区。通过运行燃气涡轮机，例如，产生可以用于运行用于产生电功率的发电机的(机械)功率。

为了控制燃气涡轮机，安装了控制单元。例如，控制单元可以控制燃料阀，用于控制燃料注入燃气涡轮机的燃烧区。

进一步地，用于制动燃气涡轮机的轴的制动单元可以耦合到燃气涡轮机，例如，为了从燃气轮机吸取能量。例如，控制单元可以控制制动单元，用于控制燃气涡轮机的轴的转速，以及因此因此直接或间接地控制流过燃气涡轮机的流体质量。为了设置燃气涡轮机的运行点，除了轴的转速外，控制单元可以控制制动负载。

为了正确运行燃气涡轮机，并且为了控制和测试燃气涡轮机，数据采集系统用于收集具体参数的所有必需数据。例如，数据采集系统包括热力学模型单元和测试序列单元。

传感器设备耦合至燃气涡轮机，用于测量运行参数或者用于测量性能参数。传感器设备包括，例如温度传感器、压力传感器、氧气传感器、速度传感器或者用于测量预期参数的任何其它合适的传感器。

运行参数定义输入至燃气涡轮机的参数，用于运行燃气涡轮机。例如，运行参数是燃料数量、空气流量的质量流量或者由燃气涡轮机放出的放气的量。

当燃气涡轮机在运行参数下运行时，测量性能参数定义由燃气涡轮机输出的参数。例如，测量性能参数分别是燃气涡轮机的温度(例如，燃气涡轮机的预定位置，例如燃烧区或涡轮区)、在燃气涡轮机的特定位置的压力、燃气涡轮机的排放、燃料消耗和/或燃气涡轮机的负载。

例如，热力学模型单元包括存储器，其中存储有燃气涡轮机的机械模型(模拟)和燃气涡轮机的热力学模型(模拟)的数据。

例如，燃气涡轮机的机械模型是包括燃气涡轮机的相同尺寸和几何约束的模型，使得机械模型的模拟是可能的。

相应地，热力学模型包括具体燃气涡轮机的具体运行条件的数据。例如，热力学模型基于特定输入(例如，运行)参数计算具体输出(性能)参数，以此模拟燃气涡轮机的运行。例如，作为输入值，燃料的数量、输入的空气的数量和放出的空气的数量是预定义的，使得热力学模型可以计算(例如，考虑机械模型时)理论模拟性能参数，例如温度、压力或者例如在涡轮级的出口处燃气涡轮发电机的排放。

基于机械模型和热力学模型，热力学模型单元产生计算性能参数。

计算性能参数定义燃气涡轮机模拟运行的模拟运行条件。计算性能参数是热力学模型单元基于测得的或预定义的运行参数计算和预测的。特别地，计算性能参数表示计算(模拟)负载、计算(模拟)效率、计算排放、流过燃气涡轮机的液体的计算流量特性、计算燃料消耗、计算Lambda值和/或计算功率曲线。

因此，计算性能参数，例如计算负载，给出了在其下输入运行参数(例如燃料流量等)的模拟和理论指示，理论上，即在标准条件和/或在模拟条件下，其输出计算性能参数应由燃气涡轮机获得。

测试序列单元产生包括设置点运行数据和时间表数据的序列数据，燃气涡轮机的测试循环可利用所述测试序列数据运行。换言之，在测试序列单元中，进行预定测试并储存测试循环，其应当在燃气涡轮机的一定操作时间后完成，以保证燃气涡轮机的正确和无故障运行。

测试序列数据包括设置点运行数据，其表示例如，燃气涡轮机的设置点加速数据、燃气涡轮机的设置点速度和燃气涡轮机使用的预定燃料类型。换言之，设置点运行数据是定义在运行测试循环时应由燃气涡轮机获得的设置点的控制数据。

时间表数据描述时间帧，其中在测试循环期间燃气涡轮机应当与预定设置点运行数据一起运行。

数据采集系统特别收集运行(测得的或预定的)参数、计算性能参数和测试序列数据，并基于这些参数产生测试控制数据。

比较单元耦合到数据采集系统，使得在测试循环之后或在测试循环期间可以比较由感测系统测得的测量性能参数与计算性能参数。如果测量性能参数与计算性能参数相似，可以假定燃气涡轮机是正常运行的。

因此，比较单元检查在执行测试循环后的测量性能参数是否遵循由热力学模型计算和预测的计算性能参数。因此，如果在计算性能参数和测量性能参数之间存在较大的差异，燃气涡轮机可能没有正确工作。

因此，通过本发明，所产生的测试控制数据不仅仅包括在实验和理论条件下预定义的测试序列数据，也考虑来自燃气涡轮机的热力学模型的计算性能参数。因此，测试控制数据也可以更精确地适应环境条件和燃气涡轮机的实际运行状态，使得可以由燃气涡轮机特别执行适合的测试循环。

例如，如果燃气涡轮机运行在最大电功率输出时，可以自动执行各个最大电功率测试。例如，传感器设备测量最大电功率输出并把这些信息给数据采集系统。接着，数据采集系统从热力学模型单元接收表示在最大电功率输出下运行的燃气涡轮机的热力学模型的计算性能参数。此外，测试序列单元给出测试序列数据，其包括用于在最大电功率输出下的测试燃气涡轮机必须的设置点运行数据和时间表数据。

因此，测试控制数据不仅仅包括预定测试序列数据，例如，用于最大电功率测试，还包括例如，在最大电功率下运行燃气涡轮机应当获得的计算性能参数。

此外，根据其它示例性实施例，热力学模型单元耦合到传感器设备，使得热力学模型单元额外地基于测量运行参数产生计算性能参数。因此，热力学模型单元可以接收有关燃油喷射量的信息，其中热力学模型单元可以产生计算性能参数，例如，计算负载，如果注入了测量燃油喷射量，理论上其可以由燃气涡轮机获得。

根据其它示例性实施例，测试序列单元耦合到控制单元，使得可以自动测量测试循环。如上所述，如果控制单元在最大电功率输出下运行燃气涡轮机，测试序列单元可以自动启动燃气涡轮机的最大电功率测试。不再需要操作者手动启动测试循环。

根据其它示例性实施例，测试序列单元耦合到控制单元，使得测试循环手动地由操作者启动。

根据其它示例性实施例，控制设备耦合到控制单元，其中控制设备是由控制单元可控制的，使得燃气涡轮机可以根据测试控制数据调节。如上所述，例如，控制设备可以是用于应用控制负载至燃气涡轮机输出轴的控制制动器，例如，使得燃气轮机运行点的预定值的设置和控制与燃气轮机输出轴转速的控制是一起的。此外，或者，控制设备可以包括用于控制燃料供给到燃气涡轮机的燃料阀。因此，例如，燃料的数量可以根据测试控制数据精确地调节。

在下文中，描述了根据本发明其它方面的用于运行燃气轮机系统的方法。燃气涡轮机产生功率，其中燃气涡轮机是由控制单元控制的。燃气涡轮机的性能参数是由数据采集系统的传感器设备测得的。接着，计算性能参数是由热力学模型单元基于燃气涡轮机的机械模型和燃气涡轮机的热力学模型产生的。产生测试序列数据，其中测试序列数据包括设置点运行数据和时间表数据，由测试序列单元用其运行燃气涡轮机的测试循环是。接着，测试控制数据是由数据采集系统基于测试序列数据产生的。测试控制数据被提供给控制单元，使得燃气涡轮机可以基于测试控制数据由控制单元控制。由传感器设备测得的测量性能参数通过比较单元与计算性能参数比较。

总之，通过本发明，测试控制数据不仅仅包括预定测试数据，还包括来自燃气涡轮机的热力学模型的输出(计算性能和/或计算运行参数)。

考虑到测量运行条件，可以在燃气涡轮机的运行期间由热力学模型单元持续执行热力学模型。热力学模型单元的运行独立于控制燃气涡轮机的控制单元。

来自热力学模型单元的输出(计算性能参数)是基于燃气涡轮机的机械模型、燃气涡轮机的热力学模型和燃气涡轮机的测量或预定运行参数的。

例如，包括一组运行点的测试控制数据被上载到控制单元。一组运行点(设置点运行数据)包括，例如，燃气涡轮机的预期负载(功率)，其应当在燃气涡轮机的一定运行模式下获得。预期负载可以被指定为选自热力学模型的输出(计算性能参数)或者例如传感器设备的任意一个。斜坡斜率还可以被指定为允许控制燃气涡轮机的两个指定运行状态之间的交叉算子。测试控制数据还可以包括，例如，与预期速度有关的信息，作为燃气涡轮机在测试期间应当获得的设置点运行数据，可以从由传感器设备测得的实际速度(测量运行参数)或者其为热力学模型输出的计算运行参数的校正速度(计算性能参数)获取期望速度。

进一步地，即如果燃气涡轮机应与气体燃料或液体燃料一起运行，测试控制数据可以包括燃气涡轮机应在测试循环下运行的燃料类型信息，。

测试序列数据进一步包括与定义燃气涡轮机需要保持在指定运行点(设置点运行数据)多久的时间表有关的数据。进一步地，测试控制数据定义燃气轮机的运行条件和定义保持期间的运行状态的增加、减少或者消除。

进一步地，数据采集系统可以用作分布式闭环控制器的一部分，其中周期性地产生测试控制数据以执行测试循环。因此，数据采集系统和控制单元一起工作充当闭环控制器。该方法是闭环的且可操作的直到获得用于燃气轮机的目标性能参数。因此，在传递到客户之前，获得期望性能参数。

数据采集系统产生或收集测试控制数据或参数，然后反馈到用在闭环中的控制器或控制设备/单元，以设置发动机测试运行点，以给出对应在预定测试序列中指定的值的这些参数值。

需要注意的是，本发明的实施例是通过参考不同主题描述的。特别地，一些实施例是通过参考装置类型权利要求描述的，而另一些实施例是通过参考方法类型权利要求描述的。然而，本领域技术人员可以从上面和下面的描述推断出，除非特别说明，除了属于一种类型的主题的特征的任意组合，还有与不同主题有关的特征之间的任意组合，特别是装置类型权利要求和方法类型权利要求之间的特征的任意组合认为被本申请公开。

附图说明

下文中描述的本发明上面定义的方面和其它方面通过参考实施例的示例是显而易见的并通过参考实施例的示例解释。在下文中将通过参考实施例的示例更具体描述本发明，而本发明并不限于此。

附图示出了根据本发明的示例性实施例的燃气轮机系统的原理示意图。

具体实施方式

附图中的说明是简要的。相似或相同的元件具有相同的标号。

附图示出了包括用于产生功率的燃气涡轮机101的燃气轮机系统。进一步地，示出了用于控制燃气涡轮机101的控制单元102。此外，示出了包括热力学模型单元104和测试序列单元105的数据采集系统108。

传感器设备103耦合到燃气涡轮机101，用于测量燃气涡轮机101的测量运行参数111。

热力学模型单元104基于燃气涡轮机101的机械模型106和燃气涡轮机101的热力学模型107产生计算性能参数113。测试序列单元105产生包括设置点运行数据和时间表数据的测试序列数据114，可以用其运行燃气涡轮机的测试循环101。

数据采集系统108基于测量运行参数111、计算性能参数113和测试序列数据114产生测试控制数据112。数据采集系统108耦合到控制单元102，用于提供测试控制数据112至控制单元102，使得可以基于测试控制数据112控制燃气涡轮机101。

如图所示，热力学模型单元104耦合到传感器设备103，使得热力学模型单元104额外地基于测量运行参数111产生计算性能参数113。

进一步地，比较单元109耦合到数据采集系统108，使得由传感器设备103测得的测量性能参数115能在测试循环期间或测试循环之后与计算性能参数113比较。

进一步地，控制设备110，例如用于控制燃料供给到燃气涡轮机101的燃料阀或者用于可控地制动燃气涡轮机101的控制制动器，耦合到燃气涡轮机101。控制单元102控制控制设备110，使得燃气涡轮机运行点根据由数据采集系统108发送的测试控制数据112可调节的。

应当注意的是，术语“包括”并不排除其它元件或步骤，以及“一”或“一个”并不排除多个。也可以结合与不同实施例有关描述的元件。应当注意的是，权利要求中的标号不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (12)

1.燃气轮机系统，包括

用于发电的燃气涡轮机（101），

用于控制所述燃气涡轮机（101）的控制单元（102），

包括热力学模型单元（104）和测试序列单元（105）的数据采集系统（108），

传感器设备（103），其耦合到所述燃气涡轮机（101），用于测量所述燃气涡轮机（101）的性能参数（115），以及

比较单元（109），

其中所述热力学模型单元（104）基于所述燃气涡轮机（101）的机械模型（106）和基于所述燃气涡轮机（101）的热力学模型（107）产生计算的性能参数（113），

其中所述测试序列单元（105）产生包括设置点运行数据和时间表数据的测试序列数据（114），所述燃气涡轮机（101）的测试循环可利用所述测试序列数据运行，

其中所述数据采集系统（108）基于所述测试序列数据（114）产生测试控制数据（112），

其中所述数据采集系统（108）耦合到所述控制单元（102），用于将所述测试控制数据（112）提供至所述控制单元（102），使得所述燃气涡轮机（101）基于所述测试控制数据（112）是可控制的，以及

其中所述比较单元（109）耦合到所述数据采集系统（108），使得由所述传感器设备（103）测量的所测量的性能参数（115）与所述计算的性能参数（113是可比较的。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机系统，

其中所述热力学模型单元（104）耦合到所述传感器设备（103），使得所述热力学模型单元（104）附加地基于测量的运行参数(111)产生所述计算的性能参数（113）。

3.根据权利要求1或2所述的燃气轮机系统，

其中所述计算的性能参数（113）指示计算的负载、计算的效率、计算的排放、通过所述燃气涡轮机（101）的流体的计算的流特性、计算的燃料消耗、计算的lambda值和计算的功率曲线中的至少一项。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃气轮机系统，

其中所述测量的性能参数（115）指示测量的温度、测量的压力、测量的速度、测量的排放、测量的燃料消耗和测量的负载中的至少一项。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃气轮机系统，

其中所述设置点运行数据包括所述燃气涡轮机（101）的设置点加速度数据、所述燃气涡轮机（101）的设置点速度和由所述燃气涡轮机（101）使用的燃料类型中的至少一项。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的燃气轮机系统，

其中所述测试序列单元（105）耦合到所述控制单元（102），使得所述测试循环能够自动启动。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃气轮机系统，

其中所述测试序列单元（105）耦合到所述控制单元（102），使得所述测试循环能够由操作员手动启动。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的燃气轮机系统，进一步包括

耦合到所述控制单元（102）的控制设备（110），

其中，所述控制设备（110）通过所述控制单元（102）可控制，使得所述燃气涡轮机（101）根据所述测试控制数据（112）可调节。

9.根据权利要求8所述的燃气轮机系统，

其中所述控制设备（110）包括用于可控地制动所述燃气涡轮机（101）的控制制动器和/或用于控制对所述燃气涡轮机（101）的燃料供给的燃料阀。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的燃气轮机系统，其中所述数据采集系统（108）产生测试控制数据，所述测试控制数据被反馈至所述控制设备（110）以在闭环中使用，以设置发动机测试运行点，以给出对应于预定测试序列中指定的值的那些参数的值。

11.一种用于运行燃气轮机系统的方法，

由燃气涡轮机（101）发电，

由控制单元（102）控制所述燃气涡轮机（101），

由数据采集系统（108）的传感器设备（103）测量所述燃气涡轮机（101）的性能参数（115），

由热力学模型单元（104）基于所述燃气涡轮机（101）的机械模型（106）和所述燃气涡轮机（101）的热力学模型（107）产生计算的性能参数（113），

由测试序列单元（105）产生包括设置点运行数据和时间表数据的测试序列数据（114），所述燃气涡轮机（101）的测试循环可利用所述测试序列数据运行，

由所述数据采集系统（108）基于所述测试序列数据（114）产生测试控制数据（112），

提供所述测试控制数据（112）至所述控制单元（102），使得所述燃气涡轮机（101）通过所述控制单元（102）基于所述测试控制数据（112）可控制，以及

通过比较单元（109）将由所述传感器设备（103）测量的所测量的性能参数（115）和所计算的性能参数（113）进行比较。

12.根据权利要求10所述的燃气轮机系统，其中所述方法是闭环并且可操作直到针对所述燃气轮机获得目标性能参数。