CN108604085B - 涡轮机系统中的温度传感器故障检测 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种检测涡轮机系统中的温度传感器故障的方法，包括：(a)从一组温度传感器中的每个温度传感器获取(102)各自的多个测量值，(b)基于对应的温度传感器的多个测量值，计算(104)一组中的每个温度传感器的一个特征值，(c)在所计算的多个特征值中选择(106)第一特征值，(d)将多个特征值中除第一特征值以外的最大值确定(108)为第一最大值，以及(e)如果第一特征值大于第一最大值与一个预定系数的乘积，则确定(110)与第一特征值相对应的温度传感器是有缺陷的。此外，还公开了对应的设备、系统、计算机程序和计算机程序产品。

Description

涡轮机系统中的温度传感器故障检测
技术领域
本发明涉及涡轮机系统中的监测和故障检测领域，尤其涉及燃气/蒸汽涡轮机系统中的温度传感器故障检测。
背景技术
任何燃气/蒸汽涡轮机均配备有大量的传感器，这些传感器记录多个重要的物理参数。例如，通过多个热电偶(温度传感器)测量燃烧器端部温度和排气喷嘴温度。所记录的这些参数值被用于涡轮机控制系统。因此，检测传感器故障是非常关键的。
维护工程师使用涡轮机数据(即，来自控制系统的参数值和事件)来监测涡轮机性能。因此，在处理涡轮机跳闸(涡轮机异常停机)时，维护工程师的首要任务是找出故障模式(例如，热电偶故障)，然后消除故障的根本原因(例如，维修热电偶)，并且尽快再次启动涡轮机(例如，尽可能缩短停机时间)。
热电偶故障是最常见的故障之一。如果涡轮机跳闸(即涡轮机异常停机)，监测工程师总是检查是否是某个热电偶坏了。为了确定热电偶的故障，工程师可以采用以下两种方式：
1.工程师可以检查热电偶温度图，以查看温度是否有突然跳跃。由于典型的涡轮机具有6-8个燃烧器端部热电偶和12-18个排气喷嘴热电偶，这样的检查将涉及大量工作。
2.工程师可以检查在涡轮机提示前刚刚写入的控制系统事件序列，以查看是否存在指示“热电偶故障”的事件。然而，监测工程师通常负责多个涡轮机，例如20个或更多。这些涡轮机可能来自不同的供应商，即，可能存在不同的“事件文本”信息来表示“热电偶故障”。此外，控制系统可能并不报告一般热电偶故障，或者可能无法识别出所有热电偶故障。
因此，在大多数涡轮机跳闸的情况下，监测工程师简单地浏览热电偶数据并且手动检查温度图。由于传感器数据是以很短的时间间隔(例如1分钟甚至1秒钟的时间间隔)写入的，因此这一过程可能非常耗时。
因此，需要一种简单快速的方式来检测温度传感器故障。
发明内容
该需求可以根据本发明独立权利要求的方案来满足。本发明的优选实施例在从属权利要求中描述。
根据本发明的第一方面，提供一种检测涡轮机系统中的温度传感器故障的方法。该方法包括：(a)从一组温度传感器中的每个温度传感器获取各自的多个测量值，(b)基于对应的温度传感器的多个测量值，计算该组中的每个温度传感器的特征值，(c)在所计算的多个特征值中选择第一特征值，(d)将多个特征值中除第一特征值以外的最大值确定为第一最大值，以及(e)如果第一特征值大于第一最大值与一个预定系数的乘积，则确定与第一特征值相对应的温度传感器是有缺陷的。
本发明的这一方面是基于以下构思：获取并分析一组温度传感器中的每个温度传感器的测量值，以确定一个温度传感器(即对应于所选择的第一特征值的传感器)的特征值是否明显大于该组内其它温度传感器的最大特征值，即，大于第一最大值与预定系数的乘积。一组温度传感器内的所有温度传感器均布置在涡轮机系统内的相似位置，从而暴露于可比较的环境。因此，在正常条件下，可以预期该组内所有温度传感器的特征值大致相等。由此，如果所选择的特征值明显大于该组内其它温度传感器的最大特征值，则所选择的温度传感器很可能是有缺陷的。
在涡轮机系统运行过程中，从一组温度传感器中的每个传感器获取各自的多个测量值。也就是说，针对该组内的每个温度传感器，获取各自的多个测量值的序列(例如，具有预定的采样间隔，如1s、2s、5s、10s、15s、20s、30s或60s)。基于温度传感器的测量值，计算每个温度传感器的特征值。现在，为了确定特定的温度传感器是否有缺陷，选择对应于该特定温度传感器的特征值(第一特征值)并确定所有其它特征值的最大值(第一最大值)。如果结果是所选择的特征值(第一特征值)大于该最大值(第一最大值)，则确定该温度传感器是有缺陷的。
根据本发明这一方面的方法利用的是任意涡轮机系统已经提供的(用于对应的控制系统中的)测量数据，从而无需任何附加测量硬件或涡轮机系统本身的其它改型即可执行。
根据本发明的一个实施例，该方法还包括：(a)在所计算的多个特征值中选择第二特征值，(b)将多个特征值中除第二特征值以外的最大值确定为第二最大值，以及(c)如果第二特征值大于第二最大值与预定系数的乘积，则确定对应于第二特征值的温度传感器是有缺陷的。
在本发明的这一实施例中，选择另一温度传感器(第二温度传感器)用来以类似于上文的方式测试。也就是说，选择与另一特定温度传感器相对应的特征值(第二特征值)，并确定所有其它特征值的最大值(第二最大值)。如果结果是所选择的特征值(第二特征值)大于该最大值(第二最大值)，则确定该另一温度传感器是有缺陷的。
优选地，该组内的所有温度传感器以下述方式而被测试：顺序地选择对应的特征值，计算未被选择的特征值中的最大值，并且确定所选择的特征值是否大于该最大值与预定系数的乘积。
根据本发明的另一实施例，通过将预定函数(尤其是统计函数)应用于对应的温度传感器的多个测量值，来计算每个特征值。
通过将预定函数应用于测量值，特征值可以指示该多个测量值随时间的表现。
根据本发明的另一实施例，统计函数从包括如下项的组中选择：多个测量值的标准差，多个测量值的平均，多个测量值的指数平均，以及多个测量值的积分。
通过计算测量值的标准差，特征值指示来自对应的温度传感器的多个测量值的差异度。
类似地，测量值的平均、指数平均和(黎曼)积分表征多个测量值随时间的表现。
根据本发明的另一实施例，预定函数被应用于与预定时间段相对应的多个测量值。
特别地，预定时间段可以构成所谓的移动窗，在此意义上，该方法以规律性间隔(例如每分钟或每5分钟一次)执行，并且在该方法执行之前最后x分钟的测量值被使用。
根据本发明的另一实施例，预定时间段的持续时间在10分钟至30分钟之间，例如在15分钟至25分钟之间，例如20分钟左右。
试验已经表明，20分钟左右的持续时间能够在误报与漏报之间达到良好的平衡。
根据本发明的另一实施例，预定系数在4至5之间。
试验已经表明，在4至5之间的预定系数能够提供鲁棒性和对有缺陷的温度传感器的可靠检测。
根据本发明的另一实施例，该方法还包括：(a)从另一组温度传感器中的每个温度传感器获取各自的多个测量值，(b)基于对应的传感器的多个测量值，计算另一组中每个温度传感器的特征值，在所计算的多个特征值中选择第一特征值，(c)将多个特征值中除第一特征值以外的最大值确定为第一最大值，以及(d)如果第一特征值大于第一最大值与预定系数的乘积，则确定与第一特征值相对应的温度传感器是有缺陷的。
在该实施例中，另一组温度传感器的测量值以与上文相同的方式而被处理。特别需要注意的是，仅来自另一组中的温度传感器的测量值被用于确定这些传感器中是否有传感器有缺陷。
根据本发明的另一实施例，一组温度传感器中的多个温度传感器被布置为测量涡轮机系统中的燃烧器端部的多个温度，并且另一组温度传感器中的多个温度传感器被布置为测量涡轮机系统中的排气喷嘴的多个温度。
根据本发明的第二方面，提供一种用于检测涡轮机系统中的温度传感器故障的设备。该设备包括：(a)用于从一组温度传感器中的每个温度传感器获取各自的多个测量值的单元，(b)用于基于对应的温度传感器的多个测量值，计算一组中的每个温度传感器的一个特征值的单元，(c)用于在所计算的多个特征值中选择第一特征值的单元，(d)用于将多个特征值中除第一特征值以外的最大值确定为第一最大值的单元，以及(e)用于如果第一特征值大于第一最大值与一个预定系数的乘积，则确定与第一特征值相对应的温度传感器有缺陷的单元。
本发明的这一方面是基于与上文描述的第一方面相同的构思，并且提供一种能够执行根据第一方面的方法及其上述实施例的设备。
根据本发明的第三方面，提供一种用于监测多个涡轮机系统的系统，每个涡轮机系统包括至少一组温度传感器。该系统包括：(a)通信单元，用于接收来自每个涡轮机系统的多个度传感器的多个测量值，(b)存储单元，用于存储所接收的多个测量值，以及(c)处理单元，用于对每个涡轮机系统的所存储的数据执行根据第一方面或上述任一实施例的方法。
本发明的这一方面是基于以下构思：根据第一方面的检测温度传感器的简单方法可以用于系统中以监测多个涡轮机系统。
来自每个涡轮机系统的测量值经由通信单元(如通信网络)被接收并被存储在存储单元中，进而由处理单元处理。
应当注意的是，根据本发明该方面的系统可以在具有多个涡轮机系统的设备实现，或者在远程地点实现。在这两种情况下，都可以从多个设备收集测量数据。
根据本发明的一个实施例，该系统还包括(a)通知单元，如果处理单元检测到涡轮机系统中的温度传感器故障，则通知单元向涡轮机系统的操作者发送通知消息。
在本发明的该实施例中，在温度传感器故障的情况下，通知单元向相关涡轮机系统的操作者发送通知消息，从而使操作者可以采取必要行动。
优选地，通知消息可以包括各种信息，例如涡轮机ID、温度传感器ID、检测到错误的时间等。
根据本发明的第四方面，提供一种计算机程序，包括多个计算机可执行指令，当由计算机执行时，多个计算机可执行指令使得计算机执行根据第一方面或上述任一实施例的方法的步骤。
计算机程序可以安装在适当的计算机系统中以执行上述方法。
根据本发明的第五方面，提供一种计算机程序产品，包括计算机可读数据载体，该计算机可读数据载体加载有根据第四方面的计算机程序。
应当注意的是，本发明的实施例已经结合不同主题描述。特别地，一些实施例已经结合方法类型权利要求描述，另一些已经结合装置类型权利要求描述。然而，除非另有说明，否则本领域技术人员将从上下文的描述中理解，除属于一种类型主题的任意特征组合之外，与不同主题相关的任意特征组合，尤其是对于方法类型权利要求的特征与装置类型权利要求的特征的组合，也是本文公开内容的一部分。
根据下文将要描述的实施例的示例，本发明的上述及其它方面是显而易见的，并且结合实施例的示例进行解释。下文中将结合实施例的示例更详细地描述本发明。然而，应当明确指出的是，本发明不限于所描述的示例性实施例。
附图说明
图1示出了根据本发明一个实施例的方法流程图。
图2示出了根据本发明一个实施例的监测系统的框图。
具体实施方式
附图中的图示仅为示意性的。应当注意的是，在不同附图中，相似或相同元件具有相同附图标记或仅有第一个数字不同的附图标记。
图1示出了根据本发明一个实施例的检测涡轮机系统中的温度传感器故障的方法100的流程图。更具体地，涡轮机系统(即，燃气/蒸汽涡轮机)包括被成组布置在涡轮机系统内的多个温度传感器(热电偶)，即，一组燃烧器端部温度传感器和一组排气喷嘴温度传感器。
方法100开始于步骤102，在此，从每个温度传感器获取各自的多个测量值，这些温度传感器属于多个温度传感器组中的一个组。来自该组内的每个传感器的多个测量值通常为测量值(或样本)序列的形式，这些测量值(或样本)以预定量的时间隔开，例如1秒或1分钟。
在步骤104，计算每个温度传感器的特征值，该特征值优选标准差、平均、指数平均或积分。为此，使用与特定时间段(例如最后20分钟)相对应的来自特定温度传感器的测量值。
在步骤106，将所计算的多个特征值中的一个特征值选择为第一特征值。这对应于选择用于测试的第一温度传感器。
在步骤108，确定(该组内)所有其它特征值的最大值。也就是说，确定多个特征值中除了所选择的特征值之外的最大值。
此时，在步骤110，确定所选择的特征值是否大于最大值与预定系数的乘积，预定系数在4至5之间。
如果大于该乘积，则认为对应于所选择的特征值的温度传感器是有缺陷的，该方法进行至步骤112，其中采取措施将故障通知给涡轮机系统的操作者。例如，通过激活警报、发送消息或其它任意适当方式。之后，该方法进行至步骤114。
另一方面，如果所选择的特征值不大于最大值与预定系数的乘积，则认为温度传感器工作正常，该方法进行至步骤114。
在步骤114，检查是否所有特征值都已经被选择过，即，是否所有温度传感器都已经检查过。由于此时是第一特征值，所以答案是否定的，并且该方法进行至步骤118，在步骤118另一特征值(下一特征值)被选择。之后，针对所选择的下一特征值重复步骤108、110、112(仅当步骤110的结果为“是”的情况，才执行步骤112)和114。
当在步骤114中确定所有温度传感器都已经被测试过时，方法在步骤116结束。
优选地，针对另一组温度传感器重复该方法。此外，该方法可以在稍后阶段重复，以作为涡轮机系统连续监测的一部分。
根据该实施例的方法100的核心是确定代表一个预定时间段内的测量值差异的特征值是否明显大于该组温度传感器内的其它特征值。由于在涡轮机的稳定操作状态下，一个组内的温度传感器应该暴露于可比较的温度，这种确定暗示特定传感器的表现明显不同于其它可比较的温度传感器。
图2示出了根据本发明一个实施例的监测系统的框图。图示系统包括监测设备(或监测站)205、第一涡轮机设备210、第二涡轮机设备220以及第三涡轮机设备230。第一涡轮机设备包括控制器C1和三个涡轮机系统T11、T12、T13。控制器C1与涡轮机T11、T12、T13通信，接收来自每个涡轮机T11、T12、T13内的温度传感器的测量值，并且将控制信号发送至涡轮机T11、T12、T13。类似地，第二涡轮机设备220包括控制器C2和三个涡轮机系统T21、T22、T23，并且第三涡轮机设备230包括控制器C3和四个涡轮机系统T31、T32、T33、T34。一般而言，可以添加更多的涡轮机设备，并且每个设备的涡轮机系统的数量可以与图2中所示的不同。
设备205经由通信单元(例如网络接口)与每个涡轮机设备210、220和230通信，并且优选地以连续的方式来接收由对应的控制器C1、C2和C3收集的测量值。所接收的测量值存储在适当的存储单元中，并结合图1根据上文所述的方法而被处理。如果该处理表明涡轮机系统T11、T12、T13、T21、T22、T23、T31、T32、T33、T34中的一个涡轮机系统中存在有缺陷的温度传感器，则通知单元将对应的通知消息发送给相关的涡轮机设备210、220、230的操作者，从而可以采取适当的措施，即，更换有缺陷的热电偶。
因此，在这些涡轮机设备之一中存在有缺陷的温度传感器的情况下，设备操作者可以在接到通知后作出反应。由此，不再需要与研究打印的温度曲线或者来自控制器C1、C2和C3的不可靠消息相关联的繁琐工作。
应当注意的是，术语“包括”不排除其它元件或步骤，并且冠词“一”或“一个”的使用不排除多个。此外，与不同实施例结合描述的元件可以进行组合。应当进一步注意的是，权利要求中的附图标记不应理解为限定权利要求的范围。
附图标记列表
100 方法
102 方法步骤
104 方法步骤
106 方法步骤
108 方法步骤
110 方法步骤
112 方法步骤
114 方法步骤
116 方法步骤
118 方法步骤
205 监测设备
210 涡轮机设备
220 涡轮机设备
230 涡轮机设备

Claims (13)

1.一种检测涡轮机系统中的温度传感器故障的方法，所述方法包括：
从一组温度传感器中的每个温度传感器获取(102)各自的多个测量值，
基于对应的所述温度传感器的所述多个测量值，计算(104)所述一组中的每个温度传感器的一个特征值，
在所计算的多个特征值中选择(106)第一特征值，
将所述多个特征值中除所述第一特征值以外的最大值确定(108)为第一最大值，以及
如果所述第一特征值大于所述第一最大值与一个预定系数的乘积，则确定(110)与所述第一特征值相对应的所述温度传感器是有缺陷的。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所计算的所述多个特征值中选择(118)第二特征值，
将所述多个特征值中除所述第二特征值以外的最大值确定(108)为第二最大值，以及
如果所述第二特征值大于所述第二最大值与所述预定系数的乘积，则确定(110)对应于所述第二特征值的所述温度传感器是有缺陷的。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中通过将一个预定函数应用于对应的所述温度传感器的所述多个测量值，来计算每个特征值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述预定函数从包括如下项的组中选择：所述多个测量值的标准差，所述多个测量值的平均，所述多个测量值的指数平均，以及所述多个测量值的积分。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述预定函数被应用于与一个预定时间段相对应的所述多个测量值。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述预定时间段的持续时间在10分钟至30分钟之间。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述预定系数在4至5之间。
8.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：
从另一组温度传感器中的每个温度传感器获取(102)各自的多个测量值，
基于对应的所述传感器的所述多个测量值，计算(104)所述另一组中每个温度传感器的一个特征值，
在所计算的多个特征值中选择(106)一个第一特征值，
将所述多个特征值中除所述第一特征值以外的最大值确定(108)为第一最大值，以及
如果所述第一特征值大于所述第一最大值与一个预定系数的乘积，则确定(110)与所述第一特征值相对应的所述温度传感器是有缺陷的。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述一组中的所述多个温度传感器被布置为测量所述涡轮机系统中的多个燃烧器端部温度，并且其中所述另一组中的多个温度传感器被布置为测量所述涡轮机系统中的多个排气喷嘴温度。
10.一种用于检测涡轮机系统中的温度传感器故障的设备(205)，所述设备包括：
用于从一组温度传感器中的每个温度传感器获取各自的多个测量值的单元，
用于基于对应的所述温度传感器的所述多个测量值，计算所述一组中的每个温度传感器的一个特征值的单元，
用于在所计算的多个特征值中选择第一特征值的单元，
用于将所述多个特征值中除所述第一特征值以外的最大值确定为第一最大值的单元，以及
用于如果所述第一特征值大于所述第一最大值与一个预定系数的乘积，则确定与所述第一特征值相对应的所述温度传感器有缺陷的单元。
11.一种用于监测多个涡轮机系统的系统，每个涡轮机系统包括至少一组温度传感器，所述系统包括：
通信单元，用于接收来自每个涡轮机系统的多个温度传感器的多个测量值，
存储单元，用于存储所接收的所述多个测量值，以及
处理单元，用于对每个涡轮机系统所存储的数据执行根据权利要求1-9中任一项所述的方法。
12.根据权利要求11所述的系统，还包括：
通知单元，如果所述处理单元检测到所述涡轮机系统中的一个温度传感器故障，则所述通知单元向所述涡轮机系统的一个操作者发送一个通知消息。
13.一种计算机可读数据载体，所述计算机可读数据载体加载有计算机程序，所述计算机程序包括多个计算机可执行指令，当由一个计算机执行时，所述多个计算机可执行指令使得所述计算机执行根据权利要求1-9中任一项所述的方法的步骤。
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