CN108700491B

CN108700491B - 涡轮机系统中的轴承碳化故障检测

Info

Publication number: CN108700491B
Application number: CN201780010761.7A
Authority: CN
Inventors: A·菲诗金; A·拉蒂默; M·罗施欣; A·西默
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2016-02-09
Filing date: 2017-01-18
Publication date: 2021-07-06
Anticipated expiration: 2037-01-18
Also published as: CA3013824C; EP3414544A1; EP3206004A1; WO2017137219A1; US10900869B2; US20190049339A1; RU2707657C1; EP3414544B1; CN108700491A; CA3013824A1; BR112018015522A2; BR112018015522A8

Abstract

描述了一种检测涡轮机系统中的轴承碳化故障的方法，该涡轮机系统包括轴承、涡轮机转速传感器以及轴承位移加速度传感器。该方法包括：(a)从涡轮机转速传感器和轴承位移加速度传感器中的每一个获取(102)各自的测量值，(b)确定(104)在第一时间段期间来自转速传感器的多个测量值是否超过或等于第一阈值，以作为第一条件，(c)基于与第二时间段相对应的、来自轴承位移加速度传感器的多个测量值来计算(106)一个特征值，该第二时间段是第一时间段的一部分，(d)确定(108)所计算的特征值是否超过第二阈值，以作为第二条件，以及(e)如果第一条件和第二条件均满足，则确定(110)发生了一个轴承碳化故障。

Description

涡轮机系统中的轴承碳化故障检测

技术领域

本发明涉及涡轮机系统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轴承碳化故障检测。

背景技术

典型的燃气轮机具有两个轴承：前轴承(径向推力轴承)和后轴承(径向轴承)。由于所谓的油碳化，这些轴承可能会出现故障。主要的损坏发生在轴密封环和密封槽、轴承以及轴承座的排油腔堵塞。碳积聚例如可能由下列原因导致：发动机热关闭、使用中碳化的油质下降、换油间隔过长导致的使用中油的分解、空气和燃气泄漏以及燃料喷射泵/喷射器故障。

轴承碳化(BRC)是最经常、最危险的涡轮机故障之一。不幸的是，这样的故障只能通过直接检查轴承来检测。因此，如果出现涡轮机跳闸(即，涡轮机异常停机)或正常涡轮机停机(例如，为了维护而停机)的情况，监测工程师总是会检查是否能看到BRC的指示器。

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物理参数，例如涡轮机速度、轴承温度以及位移。所记录的这些参数值被用于涡轮机控制系统。

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，轴承碳化)，然后消除故障的根本原因(例如，清洗轴承)，并且尽快再次启动涡轮机(例如，尽可能缩短停机时间)。

为了确定BRC故障或其指示，工程师可以采用以下两种方式：工程师可以检查轴承位移图，以查看位移是否有突然的跳跃；或者工程师可以检查在涡轮机跳闸/停机前刚刚写入的控制系统事件序列，以查看是否存在指示“BRC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。而且，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“BRC故障”。此外，控制系统可能并不报告一般BRC故障，或者可能仅识别某些振动，例如导致涡轮机跳闸的“重位移”。不幸的是，控制系统不提供针对BRC故障的任何标准的“早期指示”。

因此，需要一种简单快速的方式来检测涡轮机系统中的轴承碳化故障。

发明内容

该需求可以根据本发明的方案来满足。本发明的优选实施例也在下文中描述。

根据本发明的第一方面，提供一种检测涡轮机系统中的轴承碳化故障(即，油碳化所导致的轴承故障)的方法。该涡轮机系统包括轴承、涡轮机转速传感器以及轴承位移加速度传感器。该方法包括：(a)从涡轮机转速传感器和轴承位移加速度传感器中的每一个获取各自的测量值，(b)确定在第一时间段期间来自转速传感器的多个测量值是否超过或等于第一阈值，以作为第一条件，(c)基于与第二时间段相对应的、来自轴承位移加速度传感器的多个测量值来计算一个特征值，该第二时间段是第一时间段的一部分，(d)确定所计算的特征值是否超过第二阈值，以作为第二条件，以及(e)如果第一条件和第二条件均满足，则确定发生了轴承碳化故障。

本发明的这一方面是基于以下构思：通过确定是否满足与来自涡轮机系统中的多个传感器的多个测量值相关的两个条件，来检测轴承碳化故障。作为第一条件，确定涡轮机转速在第一时间段期间是否超过或等于第一阈值，即，该转速在第一时间段期间是否至少等于第一阈值。作为第二条件，确定基于在第二时间段期间、来自轴承位移加速度传感器的多个测量值所计算的特征值是否超过第二阈值。第二时间段是第一时间段的一部分(即，一个子集)。因此，第二时间段可以等于第一时间段，或者是第一时间段内较短的时间段。

换言之，关于第一条件，确定涡轮机系统在第一时间段期间是否一直以特定的最小转速运行。因此，确定涡轮机系统在特定时间内(第一时间段)是否一直在特定水平上(例如，稳定状态)运行。

第二条件涉及轴承位移加速度在第二时间段(在第一时间段内)期间的表现。更具体地，确定与该表现相关的特征值是否超过第二阈值。

之后，如果两个条件都满足，则确定轴承中发生了碳化故障。

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变即可执行。

根据本发明的一个实施例，通过将预定函数(尤其是统计函数)应用于与第二时间段相对应的、来自轴承位移加速度传感器的多个测量值来计算特征值。

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，预定函数从包括如下项的组中选择：在第二时间段期间的多个测量值的标准差，在第二时间段期间的多个测量值的平均，在第二时间段期间的多个测量值的指数平均，以及在第二时间段期间的多个测量值的积分。

通过计算与第二时间段相对应的多个测量值的标准差，该特征值指示来自轴承位移加速度传感器的多个测量值的差异度。

类似地，多个测量值的平均、指数平均和(黎曼)积分表征在第二时间段期间该多个测量值的表现。

根据本发明的另一实施例，预定函数是在第二时间段期间来自轴承位移加速度传感器的最大测量值与最小测量值之间的差。

在该实施例中，特征值指示在第二时间段期间多个测量值的实际跨度或带宽。因此，大的特征值指示：位移加速度已经在第二时间段期间发生了显著变化。

根据本发明的另一实施例，涡轮机系统还包括另一个轴承位移加速度传感器，并且该方法还包括：(a)从另一个轴承位移加速度传感器获取多个测量值，(b)基于与第二时间段相对应的、来自另一个轴承位移加速度传感器的多个测量值计算另一个特征值，(c)确定所计算的特征值是否超过第三阈值，以作为第三条件，以及(d)如果第一条件和第三条件均满足，则确定发生了轴承碳化故障。

在该实施例中，引入的第三条件与第二条件类似，但是基于来自另一个轴承位移加速度传感器的多个测量值。在该实施例中，如果满足第一条件，并且满足第二条件和第三条件之一，则确定轴承碳化故障的发生。

根据本发明的另一实施例，轴承位移加速度传感器以及另一个轴承位移加速度传感器测量轴承在各自的正交方向上的位移加速度。

在该实施例中，上述多个轴承位移加速度传感器测量同一轴承中的不同(正交)方向上的位移加速度。

根据本发明的另一实施例，涡轮机系统包括另一个轴承。上述轴承位移加速度传感器测量上述一个轴承的位移加速度，并且另一个轴承位移加速度传感器测量该另一个轴承的位移加速度。

在该实施例中，上述多个轴承位移加速度传感器测量同一涡轮机系统内多个不同轴承的位移加速度。

根据本发明的另一实施例，第一时间段的时长为至少30分钟，并且第二时间段的时长为至少10分钟，特别地，在20分钟左右。

大量实验表明，第一时间段的时长为至少30分钟可以确保涡轮机系统处于稳定状态，其中在正常(无故障)的条件下，预期不会出现轴承位移加速度的突然变化。此外，已经表明第二时间段的时长为20分钟左右能够在误报与漏报之间达到良好的平衡。

特别地，第一时间段和第二时间段都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，第一时间段和第二时间段同时结束。

换言之，如果第一时间段为最后x分钟，那么第二时间段为最后y分钟，其中y≤x。

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轴承碳化故障的设备。该涡轮机系统包括轴承、涡轮机转速传感器和轴承位移加速度传感器。该设备包括：(a)用于从涡轮机转速传感器和轴承位移加速度传感器中的每一个获取各自的测量值的单元，(b)用于确定在第一时间段期间来自转速传感器的多个测量值是否超过或等于第一阈值，以作为第一条件的单元，(c)用于基于与第二时间段相对应的、来自轴承位移加速度传感器的多个测量值来计算一个特征值的单元，第二时间段是第一时间段的一部分，(d)用于确定所计算的特征值是否超过第二阈值，以作为第二条件的单元，以及(e)用于如果第一条件和第二条件均满足，则确定发生了轴承碳化故障的单元。

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轴承、涡轮机转速传感器以及轴承位移加速度传感器。该系统包括：(a)通信单元，用于接收来自每个涡轮机系统的涡轮机转速传感器和轴承位移加速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轴承碳化故障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轴承碳化故障，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，在轴承碳化故障的情况下，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，通知消息可以包含各种信息，例如涡轮机ID、轴承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，包括计算机可执行指令，当由计算机执行时，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描述，另一些已经结合装置描述。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，尤其是对于方法特征与装置特征的组合，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轴承碳化故障(即，润滑油碳化所导致的轴承故障)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)包括至少一个轴承、一个涡轮机转速传感器以及至少一个轴承位移加速度传感器。

方法100开始于步骤102，在此，从涡轮机转速传感器和轴承位移加速度传感器中的每一个获取各自的多个测量值。来自每一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，确定在第一时间段期间(例如运行的最后30分钟)来自转速传感器的多个测量值是否超过或等于第一阈值(例如9000rpm)，以作为第一条件。换言之，如果涡轮机在第一时间段期间一直以等于或大于第一阈值的转速在稳定状态中运行，则满足第一条件。如果不满足第一条件，则该方法进行至步骤112，在步骤112确定轴承碳化故障没有发生。如果满足第一条件，则该方法进行至步骤106。

在步骤106，基于与第二时间段相对应的、来自轴承位移加速度传感器的多个测量值来计算特征值。第二时间段是第一时间段的一部分，例如运行的最后10分钟或20分钟。特征值指示在第二时间段期间位移加速度的表现。特别地，特征值可以被计算为在第二时间段期间多个测量值的标准差、平均、指数平均或积分，或者被计算为在第二时间段期间的最大测量值与最小测量值之间的差。

之后，在步骤108，确定所计算的特征值是否超过第二阈值(例如5mm/s²)，以作为第二条件。如果不满足第二条件，则该方法进行至步骤112，在步骤112确定轴承碳化故障没有发生。如果满足第二条件，则该方法进行至步骤110，其中确定发生了轴承碳化故障。在后一种情况下，采取适当措施将故障向涡轮机系统的操作者通知。例如，通过激活警报、发送消息或其它任意适当方式。

优选地，方法100在稍后阶段重复，例如1分钟、3分钟、5分钟或10分钟之后，以作为涡轮机系统连续监测的一部分。

应当注意的是，可以对方法100进行各种改变。特别地，第二条件可以与第一条件同时被检查。此外，还可以增加另外的条件，这些另外的条件与针对另外的位移加速度传感器的类似特征值有关。特别地，此类另外的位移加速度传感器可以被配置为测量其它方向的位移加速度和/或另一些轴承的位移加速度。而且，无论改变与否，方法100都可以针对任意数量的涡轮机并行地或顺序地执行。

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内的涡轮机转速传感器以及至少一个轴承位移加速度传感器的测量值，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已经发生轴承碳化故障，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，清洗被碳化的轴承。

因此，在这些涡轮机设备之一中存在轴承碳化故障的情况下，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轴承位移曲线或者来自控制器C1、C2和C3的不可靠消息相关的繁琐工作，并且可以避免涡轮机的严重损坏。

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

1.一种检测涡轮机系统中的轴承碳化故障的方法，所述涡轮机系统包括一个轴承、一个涡轮机转速传感器以及一个轴承位移加速度传感器，所述方法包括：

从所述涡轮机转速传感器和所述轴承位移加速度传感器中的每一个获取(102)各自的测量值，

确定(104)在第一时间段期间来自所述转速传感器的多个测量值是否超过或等于第一阈值，以作为第一条件，

基于与第二时间段相对应的、来自所述轴承位移加速度传感器的多个测量值来计算(106)一个特征值，所述第二时间段是所述第一时间段的一部分，

确定(108)所计算的特征值是否超过第二阈值，以作为第二条件，以及

如果所述第一条件和所述第二条件均满足，则确定(110)发生了一个轴承碳化故障。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通过将一个预定函数应用于与所述第二时间段相对应的、来自所述轴承位移加速度传感器的所述多个测量值，来计算所述特征值。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述预定函数从包括如下项的组中选择：在所述第二时间段期间的所述多个测量值的标准差，在所述第二时间段期间的所述多个测量值的平均，在所述第二时间段期间的所述多个测量值的指数平均，以及在所述第二时间段期间的所述多个测量值的积分。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述预定函数是在所述第二时间段期间来自所述轴承位移加速度传感器的最大测量值与最小测量值之间的差。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述涡轮机系统还包括另一个轴承位移加速度传感器，所述方法还包括：

从所述另一个轴承位移加速度传感器获取多个测量值，

基于与所述第二时间段相对应的、来自所述另一个轴承位移加速度传感器的所述多个测量值计算另一个特征值，

确定所计算的特征值是否超过第三阈值，以作为第三条件，以及

如果所述第一条件和所述第三条件均满足，则确定发生了一个轴承碳化故障。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述轴承位移加速度传感器以及所述另一个轴承位移加速度传感器测量所述轴承在各自的正交方向上的位移加速度。

7.根据权利要求5所述的方法，其中所述涡轮机系统包括另一个轴承，其中所述轴承位移加速度传感器测量所述轴承的位移加速度，并且其中所述另一个轴承位移加速度传感器测量所述另一个轴承的位移加速度。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述第一时间段的时长为至少30分钟，并且其中所述第二时间段的时长为至少10分钟。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述第一时间段和所述第二时间段同时结束。

10.一种用于检测涡轮机系统中的轴承碳化故障的设备(205)，所述涡轮机系统包括一个轴承、一个涡轮机转速传感器以及一个轴承位移加速度传感器，所述设备包括：

用于从所述涡轮机转速传感器和所述轴承位移加速度传感器中的每一个获取各自的测量值的单元，

用于确定在第一时间段期间来自所述转速传感器的多个测量值是否超过或等于第一阈值，以作为第一条件的单元，

用于基于与第二时间段相对应的、来自所述轴承位移加速度传感器的多个测量值来计算一个特征值的单元，所述第二时间段是所述第一时间段的一部分，

用于确定所计算的特征值是否超过第二阈值，以作为第二条件的单元，以及

用于如果所述第一条件和所述第二条件均满足，则确定发生了一个轴承碳化故障的单元。

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一个轴承、一个涡轮机转速传感器以及一个轴承位移加速度传感器，所述系统包括：

通信单元，用于接收来自每个涡轮机系统的所述涡轮机转速传感器和轴承位移加速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轴承碳化故障，则所述通知单元向所述涡轮机系统的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，其中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。