CN105157986B - 一种用于燃气轮机热端部件的可靠性监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于燃气轮机热端部件的可靠性监测方法，步骤包括：1)采集燃气轮机发电机组的运行参数信号；2)根据运行参数信号中的机组电负荷和转子转速确定燃气轮机发电机组的当前工况；3)计算燃气轮机发电机组在当前工况下的等效运行小时数；4)根据各个工况下的等效运行小时数累计计算燃气轮机热端部件的等效运行小时数；5)根据燃气轮机热端部件的等效运行小时数计算燃气轮机热端部件的剩余寿命及可靠性。本发明传感器布置简单方便，可对燃气轮机热端部件的寿命损耗和剩余寿命进行实时监测与评估，能及时准确反映出热端部件的运行可靠性情况，为燃气轮机热端部件的可靠运行提供保障。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃气透平热端部件可靠性监测与评估技术，具体涉及一种用于燃气轮机热端部件的可靠性监测方法。
背景技术
目前，燃气轮机组发电技术正日益得到广泛应用。提高燃气温度是提高能量转换效率的重要措施，世界上先进燃气轮机的透平进口总温已经达到2000K以上，大大超过了材料的熔点温度，对燃气轮机的热端部件带来了很大的伤害。先进燃气轮机对高参数(高温、高压)、大容量、长寿命的追求，致使热端部件的寿命设计与服役性能可靠预测，成为对燃气轮机性能和可靠性有着双重重要影响的关键问题。在服役性能预测层面，随着断裂力学、损伤力学和现代疲劳设计理论的发展以及高温热端构件监测/失效分析技术的成熟，人们逐渐意识到：电厂启停等引起热机复杂载荷与高温极端环境交互作用，会极大程度上加速燃气轮机热端部件的损伤与破坏，这给其性能与寿命预测提出了严峻考验。正如美国国家航空航天局(NASA)的研究报告指出：蠕变疲劳载荷与环境的耦合作用致使高温部件加速失效，进而导致燃气轮机事故比率逐年增加，燃气轮机结构完整性评价与可靠性保障面临新的挑战。在寿命设计层面，基于单纯依据疲劳或蠕变的寿命设计方法，明显不能用于化学－力学多场耦合条件(疲劳－蠕变－氧化)下的寿命外推，现有模型方法及寿命设计准则能否适用于关键高温构件的蠕变疲劳寿命评定需重新审核。在运行维护层面，需要开发出新的方法与技术，在线实时监测燃气轮机关键部件的可靠性情况，及时诊断出关键部件的剩余寿命，提出科学合理的维护措施，确保燃气轮机的运行安全。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的上述问题，提供一种所需传感器信号少、不需要增加在役机组的传感器数量、无需测量热端部件金属温度信号、对燃气轮机热端部件无损伤的用于燃气轮机热端部件的可靠性监测方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
一种用于燃气轮机热端部件的可靠性监测方法，步骤包括：
1)采集燃气轮机发电机组的运行参数信号；
2)根据运行参数信号中的机组电负荷和转子转速确定燃气轮机发电机组的当前工况；
3)计算燃气轮机发电机组在当前工况下的等效运行小时数；
4)根据各个工况下的等效运行小时数累计计算燃气轮机热端部件的等效运行小时数；
5)根据燃气轮机热端部件的等效运行小时数计算燃气轮机热端部件的剩余寿命及可靠性。
优选地，所述步骤1)中的运行参数信号包括：燃气的质量流量、燃气透平进口燃气温度、机组实际运行小时数、机组电负荷和转子转速。
优选地，所述步骤2)的详细步骤包括：
2.1)获取机组电负荷对时间的导数、转子转速对时间的导数；
2.2)基于运行参数信号以及机组电负荷对时间的导数、转子转速对时间的导数确定燃气轮机发电机组的当前工况：当转子转速等于额定转速、机组电负荷大于零、机组电负荷信号对时间的导数的绝对值接近于零同时成立时，判定燃气轮机发电机组的当前工况为带稳定负荷运行；当转子转速小于额定转速、转子转速对时间的导数小于零、机组电负荷对时间的导数小于零同时成立时，判定燃气轮机发电机组的当前工况为正常停机；当转子转速小于额定转速、转子转速对时间的导数小于零、机组电负荷对时间的导数的绝对值趋于无穷大同时成立时，判定燃气轮机发电机组的当前工况为甩负荷；当转子转速小于额定转速、转子转速对时间的导数小于零、机组电负荷对时间的导数小于零、机组电负荷对时间的导数的绝对值大于第一预设阈值同时成立时，判定燃气轮机发电机组的当前工况为紧急停机；当转子转速等于额定转速、机组电负荷大于零、机组电负荷对时间的导数的绝对值大于第二预设阈值同时成立时，判定燃气轮机发电机组的当前工况为负荷快速变动；所述第一预设阈值比第二预设阈值大。
优选地，所述步骤3)的详细步骤包括：
3.1)检测当前工况的类型，如果当前工况为带稳定负荷运行，则跳转执行步骤3.2)；如果当前工况为正常停机，则跳转执行步骤3.3)；如果当前工况为甩负荷，则跳转执行步骤3.4)；如果当前工况为紧急停机，则跳转执行步骤3.5)；如果当前工况为负荷快速变动，则跳转执行步骤3.6)；
3.2)计算燃气轮机发电机组输出的电功率Pel；根据电功率Pel和燃气轮机发电机组的额定输出负荷值Pel，0确定燃气轮机发电机组的机组电负荷系数βp；根据式(1)计算燃气轮机发电机组带稳定负荷运行工况下的等效运行小时数；
式(1)中，表示燃气轮机发电机组带稳定负荷运行工况下的等效运行小时数，α表示燃气轮机热端部件的寿命损伤差异性系数，βp表示燃气轮机发电机组的机组电负荷系数，Tp表示燃气轮机发电机组的实际运行小时数；
3.3)根据式(2)计算燃气轮机发电机组正常停机工况下的等效运行小时数；
式(2)中，表示燃气轮机发电机组正常停机工况下的等效运行小时数，α表示燃气轮机热端部件的寿命损伤差异性系数，Ts1表示正常停机过程折算的等效运行小时数；
3.4)根据式(3)计算燃气轮机发电机组甩负荷工况下的等效运行小时数；
式(3)中，表示燃气轮机发电机组甩负荷工况下的等效运行小时数，α表示燃气轮机热端部件的寿命损伤差异性系数，βr表示机组甩负荷系数，Ts2表示正常停机过程折算的等效运行小时数；
3.5)根据式(4)计算燃气轮机发电机组紧急停机工况下的等效运行小时数；
式(4)中，表示燃气轮机发电机组紧急停机工况下的等效运行小时数，α表示燃气轮机热端部件的寿命损伤差异性系数，βj表示机组紧急停机系数，Ts3表示正常停机过程折算的等效运行小时数；
3.6)根据式(5)计算燃气轮机发电机组负荷快速变动工况下的等效运行小时数；
式(5)中，表示燃气轮机发电机组负荷快速变动工况下的等效运行小时数，α表示燃气轮机热端部件的寿命损伤差异性系数，βk表示机组快速负荷变动系数，Ts4表示正常停机过程折算的等效运行小时数。
优选地，所述步骤3.2)中具体是指根据式(6)计算燃气轮机发电机组输出的电功率Pel；
式(6)中，Pel表示发电机组输出的电功率，ηg表示发电机组的效率，表示燃气的质量流量，cp表示空气的定压比热容，T3表示燃气透平进口燃气的热力学温度，τ表示空气在燃气轮机中的升温比，π表示空气在燃气轮机中的增压比，k表示空气的绝热指数。
优选地，所述步骤3.2)中根据电功率Pel和燃气轮机发电机组的额定输出负荷值Pel，0确定燃气轮机发电机组的机组电负荷系数βp时，当电功率Pel的值为额定输出负荷值Pel，0的80％以上时，机组电负荷系数βp取值为1.0；当电功率Pel的值为额定输出负荷值Pel，0的80％～90％倍之间时，机组电负荷系数βp取值为1.1。
优选地，所述步骤3.4)中根据式(3)计算燃气轮机发电机组甩负荷工况下的等效运行小时数时，当燃气轮机发电机组甩80％以上额定负荷时，机组甩负荷系数βr取值为3.0；当燃气轮机发电机组甩50％以下额定负荷时，机组甩负荷系数βr取值为2.4；所述步骤3.5)中根据式(4)计算燃气轮机发电机组紧急停机工况下的等效运行小时数时，当燃气轮机发电机组从80％负荷工况及以上紧急停机时，机组紧急停机系数βj取值为2.0，当燃气轮机发电机组从50％～80％负荷工况紧急停机时，机组紧急停机系数βj取值为1.6，当燃气轮机发电机组从30％～50％负荷工况紧急停机时，机组紧急停机系数βj取值为1.4，当燃气轮机发电机组从30％负荷工况及以下紧急停机时，机组紧急停机系数βj取值为1.0；所述步骤3.6)中根据式(5)计算燃气轮机发电机组负荷快速变动工况下的等效运行小时数时，当燃气轮机发电机组快速变动额定负荷的50％及以上时，机组快速负荷变动系数βk取值为2.0，当燃气轮机发电机组快速变动额定负荷的20～50％之间时，机组快速负荷变动系数βk取值为1.6，当燃气轮机发电机组快速变动额定负荷的20％及以下时，机组快速负荷变动系数βk取值为0.0。
优选地，所述步骤4)中具体是指根据式(7)计算燃气轮机热端部件的等效运行小时数；
式(7)中，TE表示燃气轮机热端部件的等效运行小时数，表示所有燃气轮机发电机组带稳定负荷运行工况下的等效运行小时数之和，表示所有燃气轮机发电机组正常停机工况下的等效运行小时数之和，表示所有燃气轮机发电机组甩负荷工况下的等效运行小时数之和，表示所有燃气轮机发电机组紧急停机工况下的等效运行小时数之和，表示所有燃气轮机发电机组负荷快速变动工况下的等效运行小时数之和。
优选地，其特征在于，所述步骤5)中根据燃气轮机热端部件的等效运行小时数计算燃气轮机热端部件的剩余寿命及可靠性时，具体是指根据式(8)计算燃气轮机热端部件的剩余寿命；
TSY＝TYQ-TE (8)
式(8)中，TSY表示燃气轮机热端部件的剩余等效运行小时数，TYQ表示燃气轮机热端部件的预期等效运行小时数，TE表示燃气轮机热端部件的等效运行小时数。或者，所述步骤5)中根据燃气轮机热端部件的等效运行小时数计算燃气轮机热端部件的剩余寿命及可靠性时，具体是指根据式(9)计算燃气轮机热端部件在下一时刻发生故障的概率来作为燃气轮机热端部件的可靠性量化评估结果；
λ＝f(TE) (9)
式(9)中，λ表示燃气轮机热端部件在下一时刻发生故障的概率，f(TE)表示热端部件的故障概率函数，热端部件的故障概率函数f(TE)根据满足正态分布N[μ,σ2]的故障概率密度函数计算，其中参数μ和σ依据燃气轮机机组历史运行故障统计数据获得，TE表示燃气轮机热端部件的等效运行小时数。
本发明用于燃气轮机热端部件的可靠性监测方法基于燃气轮机动力循环的基本理论，通过建立热端部件特征温度与机组电负荷之间的关系，借助计算机技术和信号分析技术，能够实现实时监测热端部件的寿命损耗和剩余寿命的目的，具有下述优点：(1)、本发明用于燃气轮机热端部件的可靠性监测方法通过采集燃气轮机发电机组各个工况条件下实际运行过程中的运行参数信号，根据中的机组电负荷和转子转速运行参数信号确定燃气轮机发电机组的当前工况，所需传感器信号少，不需要增加在役机组的传感器数量。(2)、本发明用于燃气轮机热端部件的可靠性监测方法可实现燃气轮机热端部件的可靠性在线监测，由于采用电负荷信号和转子转速信号，无需测量热端部件金属温度信号，通过机组负荷变化间接推算透平工况变化所加在热端部件上的应力，以及工况变化引起的热端部件的寿命损耗；(3)、本发明用于燃气轮机热端部件的可靠性监测方法对燃气轮机热端部件无损伤。
附图说明
图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
图2为应用本发明实施例方法的可靠性监测系统框架结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例用于燃气轮机热端部件的可靠性监测方法的步骤包括：
1)采集燃气轮机发电机组的运行参数信号；
2)根据中的机组电负荷和转子转速运行参数信号确定燃气轮机发电机组的当前工况；
3)计算燃气轮机发电机组在当前工况下的等效运行小时数；
4)根据各个工况下的等效运行小时数累计计算燃气轮机热端部件的等效运行小时数；
5)根据燃气轮机热端部件的等效运行小时数计算燃气轮机热端部件的剩余寿命及可靠性。
本实施例中通过采集燃气轮机发电机组各个工况条件下实际运行过程中的运行参数信号，根据中的机组电负荷和转子转速运行参数信号确定燃气轮机发电机组的当前工况，计算燃气轮机发电机组在当前工况下的等效运行小时数，根据各个工况下的等效运行小时数累计计算燃气轮机热端部件的等效运行小时数，根据燃气轮机热端部件的等效运行小时数计算燃气轮机热端部件的剩余寿命及可靠性，不仅传感器布置简单方便，而且可在燃气轮机运行过程中对其热端部件的寿命损耗和剩余寿命进行实时监测与评估，能够及时准确的反应出热端部件的运行可靠性情况，为燃气轮机发电机组的可靠运行提供有力保障。
本实施例中，步骤1)中的运行参数信号包括：燃气的质量流量、燃气透平进口燃气温度、机组实际运行小时数、机组电负荷和转子转速。上述运行参数信号中，燃气的质量流量、燃气透平进口燃气温度、机组实际运行小时数均为燃气轮机发电机组常见的传感器检测信号，因此本实施例所需传感器信号少，不需要增加在役机组的传感器数量。
本实施例中，步骤2)的详细步骤包括：
2.1)获取机组电负荷对时间的导数、转子转速对时间的导数；
2.2)基于运行参数信号以及机组电负荷对时间的导数、转子转速对时间的导数确定燃气轮机发电机组的当前工况：当转子转速等于额定转速、机组电负荷大于零、机组电负荷信号对时间的导数的绝对值接近于零同时成立时，判定燃气轮机发电机组的当前工况为带稳定负荷运行；当转子转速小于额定转速、转子转速对时间的导数小于零、机组电负荷对时间的导数小于零同时成立时，判定燃气轮机发电机组的当前工况为正常停机；当转子转速小于额定转速、转子转速对时间的导数小于零、机组电负荷对时间的导数的绝对值趋于无穷大同时成立时，判定燃气轮机发电机组的当前工况为甩负荷；当转子转速小于额定转速、转子转速对时间的导数小于零、机组电负荷对时间的导数小于零、机组电负荷对时间的导数的绝对值大于第一预设阈值同时成立时，判定燃气轮机发电机组的当前工况为紧急停机；当转子转速等于额定转速、机组电负荷大于零、机组电负荷对时间的导数的绝对值大于第二预设阈值同时成立时，判定燃气轮机发电机组的当前工况为负荷快速变动；第一预设阈值比第二预设阈值大。本实施例确定燃气轮机发电机组的当前工况的判断条件如表1所示。
表1：发电机组工况条件判断表。
本实施例中，步骤3)的详细步骤包括：
3.1)检测当前工况的类型，如果当前工况为带稳定负荷运行，则跳转执行步骤3.2)；如果当前工况为正常停机，则跳转执行步骤3.3)；如果当前工况为甩负荷，则跳转执行步骤3.4)；如果当前工况为紧急停机，则跳转执行步骤3.5)；如果当前工况为负荷快速变动，则跳转执行步骤3.6)；
3.2)计算燃气轮机发电机组输出的电功率Pel；根据电功率Pel和燃气轮机发电机组的额定输出负荷值Pel，0确定燃气轮机发电机组的机组电负荷系数βp；根据式(1)计算燃气轮机发电机组带稳定负荷运行工况下的等效运行小时数；
式(1)中，表示燃气轮机发电机组带稳定负荷运行工况下的等效运行小时数，α表示燃气轮机热端部件的寿命损伤差异性系数，βp表示燃气轮机发电机组的机组电负荷系数，Tp表示燃气轮机发电机组的实际运行小时数；
3.3)根据式(2)计算燃气轮机发电机组正常停机工况下的等效运行小时数；
式(2)中，表示燃气轮机发电机组正常停机工况下的等效运行小时数，α表示燃气轮机热端部件的寿命损伤差异性系数，Ts1表示正常停机过程折算的等效运行小时数；
3.4)根据式(3)计算燃气轮机发电机组甩负荷工况下的等效运行小时数；
式(3)中，表示燃气轮机发电机组甩负荷工况下的等效运行小时数，α表示燃气轮机热端部件的寿命损伤差异性系数，βr表示机组甩负荷系数，Ts2表示正常停机过程折算的等效运行小时数；
3.5)根据式(4)计算燃气轮机发电机组紧急停机工况下的等效运行小时数；
式(4)中，表示燃气轮机发电机组紧急停机工况下的等效运行小时数，α表示燃气轮机热端部件的寿命损伤差异性系数，βj表示机组紧急停机系数，Ts3表示正常停机过程折算的等效运行小时数；
3.6)根据式(5)计算燃气轮机发电机组负荷快速变动工况下的等效运行小时数；
式(5)中，表示燃气轮机发电机组负荷快速变动工况下的等效运行小时数，α表示燃气轮机热端部件的寿命损伤差异性系数，βk表示机组快速负荷变动系数，Ts4表示正常停机过程折算的等效运行小时数。
本实施例中，步骤3.2)中具体是指根据式(6)计算燃气轮机发电机组输出的电功率Pel；
式(6)中，Pel表示发电机组输出的电功率，ηg表示发电机组的效率，表示燃气的质量流量，cp表示空气的定压比热容，T3表示燃气透平进口燃气的热力学温度，τ表示空气在燃气轮机中的升温比，π表示空气在燃气轮机中的增压比，k表示空气的绝热指数。
本实施例中，步骤3.2)中根据电功率Pel和燃气轮机发电机组的额定输出负荷值Pel，0确定燃气轮机发电机组的机组电负荷系数βp时，当电功率Pel的值为额定输出负荷值Pel，0的80％以上时，机组电负荷系数βp取值为1.0；当电功率Pel的值为额定输出负荷值Pel，0的80％～90％倍之间时，机组电负荷系数βp取值为1.1。
本实施例中，步骤3.4)中根据式(3)计算燃气轮机发电机组甩负荷工况下的等效运行小时数时，当燃气轮机发电机组甩80％以上额定负荷时，机组甩负荷系数βr取值为3.0；当燃气轮机发电机组甩50％以下额定负荷时，机组甩负荷系数βr取值为2.4；步骤3.5)中根据式(4)计算燃气轮机发电机组紧急停机工况下的等效运行小时数时，当燃气轮机发电机组从80％负荷工况及以上紧急停机时，机组紧急停机系数βj取值为2.0，当燃气轮机发电机组从50％～80％负荷工况紧急停机时，机组紧急停机系数βj取值为1.6，当燃气轮机发电机组从30％～50％负荷工况紧急停机时，机组紧急停机系数βj取值为1.4，当燃气轮机发电机组从30％负荷工况及以下紧急停机时，机组紧急停机系数βj取值为1.0；步骤3.6)中根据式(5)计算燃气轮机发电机组负荷快速变动工况下的等效运行小时数时，当燃气轮机发电机组快速变动额定负荷的50％及以上时，机组快速负荷变动系数βk取值为2.0，当燃气轮机发电机组快速变动额定负荷的20～50％之间时，机组快速负荷变动系数βk取值为1.6，当燃气轮机发电机组快速变动额定负荷的20％及以下时，机组快速负荷变动系数βk取值为0.0。
本实施例中，步骤4)中具体是指根据式(7)计算燃气轮机热端部件的等效运行小时数；
式(7)中，TE表示燃气轮机热端部件的等效运行小时数，表示所有燃气轮机发电机组带稳定负荷运行工况下的等效运行小时数之和，表示所有燃气轮机发电机组正常停机工况下的等效运行小时数之和，表示所有燃气轮机发电机组甩负荷工况下的等效运行小时数之和，表示所有燃气轮机发电机组紧急停机工况下的等效运行小时数之和，表示所有燃气轮机发电机组负荷快速变动工况下的等效运行小时数之和。
本实施例中，步骤5)中根据燃气轮机热端部件的等效运行小时数计算燃气轮机热端部件的剩余寿命及可靠性时，具体是指根据式(8)计算燃气轮机热端部件的剩余寿命；
TSY＝TYQ-TE (8)
式(8)中，TSY表示燃气轮机热端部件的剩余等效运行小时数，TYQ表示燃气轮机热端部件的预期等效运行小时数，TE表示燃气轮机热端部件的等效运行小时数。
本实施例中，步骤5)中根据燃气轮机热端部件的等效运行小时数计算燃气轮机热端部件的剩余寿命及可靠性时，具体是指根据式(9)计算燃气轮机热端部件在下一时刻发生故障的概率来作为燃气轮机热端部件的可靠性量化评估结果；
λ＝f(TE) (9)
式(9)中，λ表示燃气轮机热端部件在下一时刻发生故障的概率，f(TE)表示热端部件的故障概率函数，热端部件的故障概率函数f(TE)根据满足正态分布N[μ,σ2]的故障概率密度函数计算，其中参数μ和σ依据燃气轮机机组历史运行故障统计数据获得，TE表示燃气轮机热端部件的等效运行小时数。
需要说明的是，燃气轮机热端部件在下一时刻发生故障的概率仅仅是燃气轮机热端部件的可靠性量化评估结果的一种示例性说明，此外还可以根据需要对燃气轮机热端部件的可靠性采用其他量化评估手段，例如燃气轮机热端部件的等效运行小时数TE占用燃气轮机热端部件的预期等效运行小时数TSQ的比例等，只要能够实现对燃气轮机热端部件的可靠性量化，则同样可以用于评估燃气轮机热端部件的可靠性。
如图2所示，应用本实施例方法的可靠性监测系统包括速度和电负荷传感单元1、信号变送器2、数据采集器3和分析评估单元4。速度和电负荷传感单元1主要包括布设在燃气轮机适当位置检测点的电负荷传感器及转速传感器，此外还包括气体流量信号传感器和温度传感器，分别用于采集对燃气轮机的燃气质量流量、燃气透平进口燃气温度、机组电负荷和转子转速进行测量的信号，实时拾取燃气透平热端部件代表点上的转子转速和机组电负荷等信号并输出给信号变送器2。信号变送器2用于将输入的转子转速和机组电负荷信号经由信号放大和滤波的前置处理，并转换成标准的电压信号(或标准的电流信号)并输出至数据采集器3。数据采集器3用于将标准的电压/电流信号进行检波和滤波后输出给分析评估单元4。分析评估单元4采用专门的应用软件对所采集的速度和电负荷信号进行分析处理，提取速度和电负荷信号的变化特征，通过分析计算模型对燃气透平热端部件的等效运行小时数、剩余寿命及可靠性进行计算分析和评估，并输出分析评估结果。
本实施例中，速度和电负荷传感单元1采用转速测量精度等级0.2级且满足测量要求的通用电涡流式磁性传感器或光电转速传感器，并采用功率测量精度等级0.5级且满足测量要求的数值式发电机电功率表。信号变送器2和数据采集器3主要性能指标包括：采用输入信号4～20mA、输出信号0～5V、响应时间≤200ms的模拟信号隔离放大器；采用4通道以上且每通道独立的DSP实时信号处理系统，具有模拟滤波+DSP实时数字滤波、构成高性能抗混滤波器、分析频带内平坦度可达±0.05dB、阻带衰减大于-150dB/oct的性能；采用能够实现多通道并行同步采样、采样频率不受通道数限制，最高采样频率为128kHz/通道、通道间无串扰影响、同时大大提高系统的抗干扰能力的独立A/D转换器。分析评估单元4采用计算机实现，计算机加载有由LabVIEW编制程序来实现燃气轮机热端部件等效运行小时数、剩余寿命及可靠性的分析和评估。计算机的配置如下：CPU采用Intel的CPU，CPU主频为2.93GHz，内存为2GB，硬盘为500GB，本实施例中的计算机能够控制2通道～256通道数采同步并行采样，满足了多通道、高精度、高速动态信号的测量需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于燃气轮机热端部件的可靠性监测方法，其特征在于步骤包括：
1)采集燃气轮机发电机组的运行参数信号；
2)根据运行参数信号中的机组电负荷和转子转速确定燃气轮机发电机组的当前工况；
3)计算燃气轮机发电机组在当前工况下的等效运行小时数；
4)根据各个工况下的等效运行小时数累计计算燃气轮机热端部件的等效运行小时数；
5)根据燃气轮机热端部件的等效运行小时数计算燃气轮机热端部件的剩余寿命及可靠性；
所述步骤3)的详细步骤包括：
3.1)检测当前工况的类型，如果当前工况为带稳定负荷运行，则跳转执行步骤3.2)；如果当前工况为正常停机，则跳转执行步骤3.3)；如果当前工况为甩负荷，则跳转执行步骤3.4)；如果当前工况为紧急停机，则跳转执行步骤3.5)；如果当前工况为负荷快速变动，则跳转执行步骤3.6)；
3.2)计算燃气轮机发电机组输出的电功率Pel；根据电功率Pel和燃气轮机发电机组的额定输出负荷值Pel，0确定燃气轮机发电机组的机组电负荷系数βp；根据式(1)计算燃气轮机发电机组带稳定负荷运行工况下的等效运行小时数；
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式(1)中，表示燃气轮机发电机组带稳定负荷运行工况下的等效运行小时数，α表示燃气轮机热端部件的寿命损伤差异性系数，βp表示燃气轮机发电机组的机组电负荷系数，Tp表示燃气轮机发电机组的实际运行小时数；
3.3)根据式(2)计算燃气轮机发电机组正常停机工况下的等效运行小时数；
<mrow>
<msubsup>
<mi>T</mi>
<mi>c</mi>
<mi>i</mi>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式(2)中，表示燃气轮机发电机组正常停机工况下的等效运行小时数，α表示燃气轮机热端部件的寿命损伤差异性系数，Ts1表示正常停机过程折算的等效运行小时数；
3.4)根据式(3)计算燃气轮机发电机组甩负荷工况下的等效运行小时数；
<mrow>
<msubsup>
<mi>T</mi>
<mi>r</mi>
<mi>i</mi>
</msubsup>
<mo>=</mo>
<msub>
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<mi>r</mi>
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<msub>
<mi>T</mi>
<mrow>
<mi>s</mi>
<mn>2</mn>
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</msub>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式(3)中，表示燃气轮机发电机组甩负荷工况下的等效运行小时数，α表示燃气轮机热端部件的寿命损伤差异性系数，βr表示机组甩负荷系数，Ts2表示正常停机过程折算的等效运行小时数；
3.5)根据式(4)计算燃气轮机发电机组紧急停机工况下的等效运行小时数；
<mrow>
<msubsup>
<mi>T</mi>
<mi>j</mi>
<mi>i</mi>
</msubsup>
<mo>=</mo>
<msub>
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<mn>3</mn>
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</msub>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>4</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式(4)中，表示燃气轮机发电机组紧急停机工况下的等效运行小时数，α表示燃气轮机热端部件的寿命损伤差异性系数，βj表示机组紧急停机系数，Ts3表示正常停机过程折算的等效运行小时数；
3.6)根据式(5)计算燃气轮机发电机组负荷快速变动工况下的等效运行小时数；
<mrow>
<msubsup>
<mi>T</mi>
<mi>k</mi>
<mi>i</mi>
</msubsup>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>&alpha;&beta;</mi>
<mi>k</mi>
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<msub>
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</msub>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>5</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式(5)中，表示燃气轮机发电机组负荷快速变动工况下的等效运行小时数，α表示燃气轮机热端部件的寿命损伤差异性系数，βk表示机组快速负荷变动系数，Ts4表示正常停机过程折算的等效运行小时数。
2.根据权利要求1所述的用于燃气轮机热端部件的可靠性监测方法，其特征在于，所述步骤1)中的运行参数信号包括：燃气的质量流量、燃气透平进口燃气温度、机组实际运行小时数、机组电负荷和转子转速。
3.根据权利要求2所述的用于燃气轮机热端部件的可靠性监测方法，其特征在于，所述步骤2)的详细步骤包括：
2.1)获取机组电负荷对时间的导数、转子转速对时间的导数；
2.2)基于运行参数信号以及机组电负荷对时间的导数、转子转速对时间的导数确定燃气轮机发电机组的当前工况：当转子转速等于额定转速、机组电负荷大于零、机组电负荷信号对时间的导数的绝对值接近于零同时成立时，判定燃气轮机发电机组的当前工况为带稳定负荷运行；当转子转速小于额定转速、转子转速对时间的导数小于零、机组电负荷对时间的导数小于零同时成立时，判定燃气轮机发电机组的当前工况为正常停机；当转子转速小于额定转速、转子转速对时间的导数小于零、机组电负荷对时间的导数的绝对值趋于无穷大同时成立时，判定燃气轮机发电机组的当前工况为甩负荷；当转子转速小于额定转速、转子转速对时间的导数小于零、机组电负荷对时间的导数小于零、机组电负荷对时间的导数的绝对值大于第一预设阈值同时成立时，判定燃气轮机发电机组的当前工况为紧急停机；当转子转速等于额定转速、机组电负荷大于零、机组电负荷对时间的导数的绝对值大于第二预设阈值同时成立时，判定燃气轮机发电机组的当前工况为负荷快速变动；所述第一预设阈值比第二预设阈值大。
4.根据权利要求3所述的用于燃气轮机热端部件的可靠性监测方法，其特征在于，所述步骤3.2)中具体是指根据式(6)计算燃气轮机发电机组输出的电功率Pel；
式(6)中，Pel表示发电机组输出的电功率，ηg表示发电机组的效率，m&表示燃气的质量流量，cp表示空气的定压比热容，T3表示燃气透平进口燃气的热力学温度，τ表示空气在燃气轮机中的升温比，π表示空气在燃气轮机中的增压比，k表示空气的绝热指数。
5.根据权利要求4所述的用于燃气轮机热端部件的可靠性监测方法，其特征在于，所述步骤3.2)中根据电功率Pel和燃气轮机发电机组的额定输出负荷值Pel，0确定燃气轮机发电机组的机组电负荷系数βp时，当电功率Pel的值为额定输出负荷值Pel，0的80％以上时，机组电负荷系数βp取值为1.0；当电功率Pel的值为额定输出负荷值Pel，0的80％～90％倍之间时，机组电负荷系数βp取值为1.1。
6.根据权利要求5所述的用于燃气轮机热端部件的可靠性监测方法，其特征在于，所述步骤3.4)中根据式(3)计算燃气轮机发电机组甩负荷工况下的等效运行小时数时，当燃气轮机发电机组甩80％以上额定负荷时，机组甩负荷系数βr取值为3.0；当燃气轮机发电机组甩50％以下额定负荷时，机组甩负荷系数βr取值为2.4；所述步骤3.5)中根据式(4)计算燃气轮机发电机组紧急停机工况下的等效运行小时数时，当燃气轮机发电机组从80％负荷工况及以上紧急停机时，机组紧急停机系数βj取值为2.0，当燃气轮机发电机组从50％～80％负荷工况紧急停机时，机组紧急停机系数βj取值为1.6，当燃气轮机发电机组从30％～50％负荷工况紧急停机时，机组紧急停机系数βj取值为1.4，当燃气轮机发电机组从30％负荷工况及以下紧急停机时，机组紧急停机系数βj取值为1.0；所述步骤3.6)中根据式(5)计算燃气轮机发电机组负荷快速变动工况下的等效运行小时数时，当燃气轮机发电机组快速变动额定负荷的50％及以上时，机组快速负荷变动系数βk取值为2.0，当燃气轮机发电机组快速变动额定负荷的20～50％之间时，机组快速负荷变动系数βk取值为1.6，当燃气轮机发电机组快速变动额定负荷的20％及以下时，机组快速负荷变动系数βk取值为0.0。
7.根据权利要求6所述的用于燃气轮机热端部件的可靠性监测方法，其特征在于，所述步骤4)中具体是指根据式(7)计算燃气轮机热端部件的等效运行小时数；
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<msubsup>
<mi>&Sigma;T</mi>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
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<mo>(</mo>
<mn>7</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
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式(7)中，TE表示燃气轮机热端部件的等效运行小时数，表示所有燃气轮机发电机组带稳定负荷运行工况下的等效运行小时数之和，表示所有燃气轮机发电机组正常停机工况下的等效运行小时数之和，表示所有燃气轮机发电机组甩负荷工况下的等效运行小时数之和，表示所有燃气轮机发电机组紧急停机工况下的等效运行小时数之和，表示所有燃气轮机发电机组负荷快速变动工况下的等效运行小时数之和。
8.根据权利要求1～7中任意一项所述的用于燃气轮机热端部件的可靠性监测方法，其特征在于，所述步骤5)中根据燃气轮机热端部件的等效运行小时数计算燃气轮机热端部件的剩余寿命及可靠性时，具体是指根据式(8)计算燃气轮机热端部件的剩余寿命；
TSY＝TYQ-TE (8)
式(8)中，TSY表示燃气轮机热端部件的剩余等效运行小时数，TYQ表示燃气轮机热端部件的预期等效运行小时数，TE表示燃气轮机热端部件的等效运行小时数。
9.根据权利要求1～7中任意一项所述的用于燃气轮机热端部件的可靠性监测方法，其特征在于，所述步骤5)中根据燃气轮机热端部件的等效运行小时数计算燃气轮机热端部件的剩余寿命及可靠性时，具体是指根据式(9)计算燃气轮机热端部件在下一时刻发生故障的概率来作为燃气轮机热端部件的可靠性量化评估结果；
λ＝f(TE) (9)
式(9)中，λ表示燃气轮机热端部件在下一时刻发生故障的概率，f(TE)表示热端部件的故障概率函数，热端部件的故障概率函数f(TE)根据满足正态分布N[μ,σ2]的故障概率密度函数计算，其中参数μ和σ依据燃气轮机机组历史运行故障统计数据获得，TE表示燃气轮机热端部件的等效运行小时数。
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