CN108779925B - 用于空气过滤器管理的系统、方法及计算机程序产品 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于空气过滤器管理的系统(40),该系统包括多个空气过滤器装置(41a,b)和空气过滤器控制站(42)。每个空气过滤器装置(41a,b)设置在至工业装备的气流入口中的空气过滤器布置处,并且包括能够从气流入口处接收的气流中去除颗粒物质和/或空气传播的分子污染物AMC的至少一个过滤介质。每个空气过滤器装置包括被布置成收集表示空气过滤器布置的操作状态的传感器数据的一组传感器、微处理器和通信单元。空气过滤器控制站(42)包括被布置成从多个空气过滤器装置接收操作状态信息的通信单元和用于选择空气过滤器装置的空气过滤器布置的用户接口。空气过滤器控制站还包括处理电路,被布置成基于从设置在所选择的空气过滤器布置处的空气过滤器装置接收的操作状态信息和从设置在其他过滤器布置处的一个或更多个其他空气过滤器装置接收的操作状态信息来估计所选择的空气过滤器布置的预期寿命。

Description

用于空气过滤器管理的系统、方法及计算机程序产品
技术领域
本公开内容涉及用于在至工业装备的气流入口中的空气过滤器布置的空气过滤器管理的系统、方法和计算机程序产品。
背景技术
许多工业装备需要大量进入空气,例如以支持燃烧过程或在操作期间冷却工业装备。为了去除可能夹带在空气中的各种颗粒和/或气态物质等,期望对进入空气进行过滤,从而提供质量更好的经调整的进入空气。为此目的,可以在气流入口处设置工业过滤器布置。过滤器被布置成使得进入空气通常通过一系列过滤器以去除污染物;否则污染物可能导致损害,这将降低工业装备的寿命预期和性能。
可以理解,这种布置中的过滤器逐渐积聚来自空气的物质,并且当该物质积聚在过滤器上时,气流过过滤器的阻力增加。工业过滤器布置受该空气过滤器中捕获的颗粒阻塞,而且也受到诸如雾、雨、雪等环境条件阻塞。阻塞会降低过滤效率和操作效率,同时增加总压降。跨过滤器布置的压降的增加意味着进入空气压力损失,这可能影响工业装备的操作和性能。
在典型的工业过滤器布置中,多个空气过滤器以顺序设置来布置。第一过滤器通常是被布置成去除空气中较大的颗粒的粗过滤器。这种粗过滤器上的压降增加可能不显著。中间过滤器可以被布置成保护气流入口免受中等尺寸的颗粒影响。到达工业装备例如涡轮机的空气质量通过使用被布置成收集较小尺寸的颗粒例如盐颗粒的终过滤器来确定。关于阻塞的问题对于终过滤器尤其如此,其中小颗粒的聚集可能以以下方式改变过滤器的质量:馈送至接收工业装备的空气可能减少,从而导致操作效率降低或者需要接收风扇的更多能量以避免这种操作效率的降低。在一些通风系统中,不允许到接收装备的流量改变,因此当过滤器中的吞吐量降低时,需要增加风扇的能量。
燃气轮机发电厂例如燃气涡轮机发电厂是需要大量进入空气以支持燃烧过程的工业装备的示例。值得一提的其他示例是涡轮机动力压缩机站或涡轮机动力机械驱动器。为了保护燃气轮机免受具有可能损坏压缩机叶片和发电厂设备部件的灰尘颗粒、盐以及其他污染物的不纯空气影响,在至燃气轮机的气流入口处设置空气过滤器布置。
过滤器具有一定的寿命,在此期间它充分发挥作用。寿命取决于不同因素,如空气中的颗粒密度、空气的流动等。更换过滤器涉及成本。该成本可以包括不同部分,如过滤器本身的成本、过滤器的运输成本、更换过滤器所需的工作成本或其他环境成本如二氧化碳足迹等。从过滤器成本视角,过滤器应该尽可能长时间使用,直到其技术寿命结束,例如,在过滤器上的压力损失导致支持燃烧过程的空气提供不足的时刻。在历史上,空气过滤器在工业应用中的性能(如与工厂结合)主要相对于效率(分离能力)和压力损失(压降)来估计,而不考虑过滤器更换的成本方面。然而,当试图从过滤器的整个技术寿命中受益时的问题是:增加的过滤器阻塞和相关的压力损失引起在操作期间增加的能量消耗。存在确定由于使用阻塞的过滤器进行操作而增加的能量消耗的成本的已知方法。
US6009404公开了用于过滤器布置的成本导向的监测操作的方法和装置。多个传感器用于获得与确定过滤器的操作状态相关的信息。设置评估单元,在评估单元中,传感器中收集的信息被处理并且用于确定与所确定的过滤器操作状态相关联的操作成本。
SE537506描述了确定在通风系统中操作过滤器的最佳时间以节省成本并留下尽可能少的二氧化碳足迹的方法。该方法基于获得关于制造新过滤器的环境影响的信息、关于来自使用本过滤器的环境影响的信息以及与确定过滤器的操作状态相关的信息。基于该信息来确定通风系统中的过滤器的最佳寿命。因此,提供了生命周期成本分析,其中将环境方面考虑在内。
虽然所提到的现有技术提供了用于确定给定应用中特定类型的过滤器的最佳过滤器使用时间的决策支持系统,但是最佳过滤器使用时间基于来自特定工业装备中的当前条件的估计。可以以高精度建立当前条件,但是缺乏用于过滤器布置的继续操作的实际数据,并且对工业装备的未来操作状态的估计可能是非常不可靠的。当考虑燃气轮机情况时,使用具有不适当的操作状态的过滤器时的主要问题不是用于操作燃气轮机的能量消耗的增加,而是涡轮机的输出的减少。涡轮机的输出的这种降低的影响是如此显著,以至于即使过滤器的操作状态相当适度的减少,也可能意味着工厂所有者的生产损失很大。工厂所有者的另一个问题是:过滤器的更换可能需要在过滤器更换所需的时间期间减少操作。
由于上述原因,需要改进空气过滤器管理并提供对工业装备处的空气过滤器布置的操作数据的准确估计。
发明内容
本发明的目的是改进空气过滤器管理。具体地,本发明的目的是:改进至工业装备的气流入口中的空气过滤器布置的空气过滤器管理,并且提供对工业装备处的空气过滤器布置的操作数据的准确估计。
所提出的解决方案使得能够在以下方面提高空气过滤器管理:可以生成对技术寿命、预期寿命和生命周期成本的改进估计,并且可以增进操作员对当过滤器能力已经开始劣化时过滤器替换的成本与维护过滤器的成本的理解。
该目的通过如独立权利要求中公开的用于空气过滤器管理的系统、方法和计算机程序产品来实现。
本公开内容提出了一种系统实施方式,其中系统包括空气过滤器装置和空气过滤器控制站。每个空气过滤器装置设置在至工业装备的气流入口中的空气过滤器布置处;空气过滤器布置包括能够从气流入口处接收的气流去除颗粒物质和/或空气传播的分子污染物AMC的至少一个过滤介质。每个空气过滤器装置包括:一组传感器,被布置成收集表示空气过滤器布置的操作状态的传感器数据;微处理器,被布置成基于收集的传感器数据来确定空气过滤器布置的操作状态信息;以及通信单元,被布置成传输操作状态信息。空气过滤器控制站包括:通信单元,被布置成从多个空气过滤器装置接收操作状态信息;以及用户接口,用于选择空气过滤器布置。空气过滤器控制站还包括处理电路,该处理电路被布置成:基于从设置在所选择的空气过滤器布置处的空气过滤器装置接收的操作状态信息和从设置在其他空气过滤器布置处的一个或更多个其他空气过滤器装置接收的操作状态信息来估计所选择的空气过滤器布置的预期寿命。
来自多个不相关的空气过滤器装置的输入提供了对空气过滤器管理的改进以及关于特定工业装备的空气过滤器布置的生命周期成本生成的估计的可靠性。可以理解,在集中式应用中访问用于空气过滤器布置的可靠生命周期数据,提供对空气过滤器布置的未来操作条件的可靠估计,操作员对在空气过滤器布置中进行替换做出更明智的决定,以及空气过滤器提供者预测在用于销售或分配的库存的前提下保持空气过滤器替换单元的需要的能力。
根据本公开内容的方面,该系统从至另一个工业装备的气流入口中的空气过滤器布置中设置的至少一个空气过滤器装置而不是所选择的空气过滤器布置的空气过滤器装置接收数据。
将空气过滤器控制站中的预测基于来自多个空气过滤器装置(包括位于相应的工业装备的不同地点处的空气过滤器装置)的输入的能力提供了以下优点:基于相当大量的数据真实地实现估计,用于可靠地使用估计。对与特定空气过滤器布置的空气过滤器管理相关的测量传感器数据的有限访问意味着估计的受信度可能较低。此外,访问表示在空气过滤器管理期间执行的测量的真实数据,使得能够实时地更快地生成估计。
根据本公开内容的另一方面,该组传感器包括流量传感器、湿度传感器、环境灰尘浓度传感器和压降传感器中的一个或更多个。
包括具有不同感测能力的传感器的该组传感器提供了过滤器质量和环境空气质量的综合表示。使用多个传感器测量对至接收工业装备的气流具有影响的不同方面提供了以下优点:增加对工业装备的操作条件和这些操作条件的原因的理解。
根据本公开内容的另一方面,空气过滤器控制站还被布置成:接收与相应空气过滤器布置对应的工业装备的性能数据,并且基于估计的预期寿命和所选择的空气过滤器布置的工业装备的性能数据来估计生命周期成本。
对性能数据的访问提供以下优点:空气过滤器布置的生命周期成本可以基于过滤器替换成本以及能够从空气过滤器布置对工业装备的性能的影响得到的成本这两者。因此,替换或调整空气过滤器装备的决定可以基于对随着时间替换或维护空气过滤器布置的经济后果的正确理解。
根据本公开内容的方面,生命周期估计还基于从设置在其他空气过滤器布置处的一个或更多个其他空气过滤器装置接收的性能数据。
因此,本发明提供了对来自设置在执行类似操作并经历类似操作条件的工业装备处的空气过滤器布置的数据的聚集。访问更大一组相关数据提供在操作数据和成本的估计方面的改进。
根据本公开内容的方面,通过所选择的空气过滤器布置的工业装备的空气过滤器装置来获得性能数据。然后将获得的性能数据发送至空气过滤器控制站。根据另一个方面,在系统中设置用于手动或自动提交性能数据的用户接口。用户接口提供以下优点:能够反馈与可能和过滤器功能相关的性能相关数据。
根据本公开内容的另一个方面,所选择的空气过滤器布置的预期寿命基于空气过滤器装置中的压降的趋势线。
根据本公开内容的另一个方面,根据来自一个或更多个压降传感器的传感器数据与至少一个流量传感器、环境灰尘浓度传感器和/或湿度传感器的传感器数据的相关性来计算空气过滤器装置中的压降的趋势线。
来自环境灰尘浓度传感器和来自一个或更多个过滤器压降传感器的传感器数据与来自流量传感器的传感器数据的相关性提供了以下益处:可以确定来自具有类似操作条件的空气过滤器装置的传感器数据,同时可以从估计生成过程排除来自其他空气过滤器装置的传感器数据。
当根据至少一个湿度传感器的传感器数据与来自流量传感器的传感器数据以及来自一个或更多个过滤器压降传感器的传感器数据的相关性来计算空气过滤器装置中的压降的趋势线时,上述优点也是正确的。此外,可以在为了估计在某个操作环境中的过滤器的预期寿命而排除来自不太相关的其他空气过滤器装置的传感器数据的同时建立来自具有类似操作条件的传感器的传感器数据。
本公开内容还提供了一种方法实施方式,该方法实施方式在上面公开的用于空气过滤器管理的系统及该系统的所有变型的空气过滤器控制站中执行。该方法包括:从多个空气过滤器装置接收操作状态信息,以及通过用户接口接收对空气过滤器装置的所选择的空气过滤器布置的查询。基于从所选择的空气过滤器布置的空气过滤器装置接收的操作状态信息和从设置在其他空气过滤器布置处的一个或更多个其他空气过滤器装置接收的操作状态信息来提供对所选择的空气过滤器布置的预期寿命的估计。
本公开内容还提出了涉及包括计算机程序代码的计算机程序的计算机程序实施方式,该计算机程序代码在被执行时使空气过滤器管理的系统执行上述方法。
方法实施方式和计算机程序实施方式提供了先前针对系统实施方式讨论的优点。
附图说明
如附图中所示,根据以下对示例实施方式的更具体的描述,前述内容将变得明显,在附图中,遍及不同的视图,相同的附图标记指代相同的部件。附图不一定按比例,而是将重点放在示出示例实施方式上。
图1是工业装备的空气入口的示例视图;
图2是包含空气过滤器传感器装置的空气过滤器布置的示例视图;
图3a是空气过滤器装置的框图;
图3b是空气过滤器控制站的框图;
图4是用于空气过滤器管理的系统的框图;
图5是在空气过滤器装置中执行的示例性方法步骤的流程图;
图6是在空气过滤器控制站中执行的示例性方法步骤的流程图;
图7a、图7b是示出了用于空气过滤器管理的系统的示例性输入和输出的用户接口的示例视图。
具体实施方式
在下文中将参照附图更充分地描述本公开内容的各方面。然而,本文中公开的装置和方法可以以许多不同的形式来实现,并且不应该被解释为限于本文中阐述的各方面。附图中的相同附图标记始终指代相同元件。本文中使用的术语仅用于描述本公开内容的特定方面,并且不意在限制本发明。如本文中使用的,除非上下文另有明确说明,否则单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”也意在包括复数形式。
图1示出了至工业装备2(例如,至机械地为涡轮机发电厂、涡轮机动力压缩机站或涡轮机动力机械驱动器中的发电机提供动力的燃气轮机)的气流入口1的示例视图。环境空气通过进气口3被提供至工业装备2。虽然容易获得,但是环境空气提供的问题在于:环境空气包含至少一定程度的可能污染的物质。因此,向工业装备提供环境空气意味着提供污染物质。取决于工业装备所处的环境,环境空气的使用可能或多或少存在问题。对于燃气轮机工厂的情况,靠近污染程度高的人口稠密区域,存在于空气中的小颗粒可能被吸入涡轮机的燃烧室并对涡轮机的长期操作产生不利影响。在至工业装备涡轮机的气流入口中的一个或更多个空气过滤器布置4提供克服与使用环境不纯空气相关联的问题的装置。
如图1中公开的,空气过滤器布置4设置在至工业装备2的气流入口1中。所公开的空气过滤器布置4包括具有不同过滤器质量的三个空气过滤器单元5a至5c,例如,过滤器级别较低的粗空气过滤器单元5a、中间空气过滤器单元5b以及能够过滤掉非常小尺寸的颗粒的终过滤器单元5c。这意味着较粗的物质(例如,昆虫或沙粒)可以被更靠近进气口3的颗粒过滤器单元俘获,而在更下游的过滤器单元中从气流中去除诸如盐和空气传播的分子污染物AMC的小颗粒。每个空气过滤器单元5a至5c具有指向进气口3的上游表面和指向工业装备2的下游表面,这意味着上游表面是气流首先到达的过滤器单元的一侧,下游表面是在经过过滤器单元中的过滤介质之后气流离开过滤器单元的一侧。其他空气过滤器布置4(例如,包括设置成V形(峰面向进入气流)的过滤器单元的空气过滤器布置4以及包含任何数目的过滤器单元5a至5c的空气过滤器布置)也是可以的。环境空气通过气流入口1被提供至工业装备2。过滤器布置的每个过滤器单元5a、5b、5c表示单独的过滤步骤,上述过滤步骤具有关于阻塞的敏感性和压降变化的特定特性。
当在操作中时,在过滤过程中去除环境空气中的污染物。这意味着污染物被保留在空气过滤器布置4中,同时允许清洁的空气进入工业装备2(例如,涡轮机)。在过滤器单元中过滤和保留污染物的效果是:这些过滤器单元5a至5c最终将由于来自所述污染物的阻塞而需要替换。
空气过滤器布置4提供过滤器单元5a至5c的替换。然而,尽管努力使得能够容易地替换过滤器,但是过滤器替换服务通常在替换期间需要限制工业装备的操作,这对工业装备的性能具有负面影响。除了生产损失以外,过滤器替换还与过滤器硬件的成本和执行过滤器替换服务的服务成本相关联。在设置过滤器交换程序时,生命周期成本分析是常见的,目的是安排过滤器替换,使得在技术寿命时间到期之前进行过滤器替换,同时最大化经济寿命时间。
空气过滤器布置4中的过滤器单元5a至5c的性能基于分离能力和过滤器单元上的压力损失/压降的变化来确定。虽然可以在阻塞的过滤器中保持分离能力,但是阻塞将不可避免地导致过滤器上的压力损失的增加,这反过来会损害燃气轮机的效率。用于估计空气过滤器性能的技术是公知的;使用传感器来确定压力损失和分离能力。现有技术解决方案包括安装在空气过滤器布置中或者安装在空气过滤器布置的上游表面或下游表面附近并且能够将传感器数据递送至工业装备(例如,发电厂)中的操作员站的传感器设备。传感器设备可以包括一个或更多个传感器探针,所述传感器探针被布置成:获取诸如气流量、湿度和过滤器压降的传感器数据。传感器数据在传感器探针附近或操作员传感器中的处理电路中被处理。然而,这些已知应用的缺点在于:估计是非常不精确的并且可能使操作员在更换过滤器的成本和益处方面存在疑问,并且几乎没有给操作员提供改善未来过滤器估计的空间。
图2是根据本公开内容的方面的空气过滤器布置4的示例视图。返回到图1,如图1公开的,空气过滤器布置4被配置成:装配到至工业装备(例如,燃烧涡轮机发电厂)的气流入口中。空气过滤器布置包括至少一个过滤器单元,但是当然可以包括任何数目的过滤器单元5a、5b、5c或如关于图1描述的级。特定湿度和含有空气传播的污染物的环境空气通过进气口3进入空气过滤器布置4,并且气流经过一个或更多个过滤器单元5a至5c并进入工业装备。过滤后的空气例如通过空气传播的分子污染物AMC或盐颗粒被提供至对污染敏感的工业装备。根据本公开内容的方面,可以设置多个过滤器单元5a至5c,包括能够去除甚至最细的颗粒但是也对阻塞敏感的最终高级别过滤器。空气过滤器布置4被配置成:紧密地装配到至工业应用的空气入口3中,使得通过过滤器布置4来实现对工业装备的空气供应,并且该空气供应在其到达工业装备的途中经受过滤。除了能够从在气流入口处接收的气流中去除颗粒物质和/或空气传播的分子污染物AMC的过滤器单元5a至5c以外,空气过滤器布置还包括空气过滤器装置。回到图2,空气过滤器布置包括附接在空气过滤器布置4的上游空气接收侧或下游过滤空气输送侧的空气过滤器装置22。传感器装置的部件也可以包括在空气过滤器布置的框架中。虽然图2公开了处于附接位置的空气过滤器装置,但是应该理解,空气过滤器装置也可以作为空气过滤器布置的集成部件来处理。当部署具有集成的空气过滤器装置配置的空气过滤器布置时,在替换空气过滤器布置时替换空气过滤器装置。利用图2中公开的配置,空气过滤器装置可以从空气过滤器布置中被移除并且在替换过滤器布置时被重新使用。根据本公开内容的方面,空气过滤器装置22还可以被配置成:当包括在空气过滤器布置中(例如,图2的空气过滤器布置中)时,在气流中引起涡流模式。
图3a公开了被配置成包括在空气过滤器布置4中的空气过滤器装置22的框图。空气过滤器装置包括表示空气过滤器布置的操作状态的一个或更多传感器31a、31b、31c,例如,可以并入紧凑壳体中的过滤器压降传感器、湿度传感器和/或环境灰尘浓度传感器中的一个或更多个。根据本公开内容的各方面,各种传感器还可以位于空气过滤器布置附近的物理上不同的位置,于是传感器被配置成:将传感器数据递送至接收空气过滤器装置22。根据本公开内容的另外方面,空气过滤器传感器装置还被配置成:从用于确定在气流入口处接收的气流的气流速率的气流确定装置接收传感器数据。根据本公开内容的方面,气流确定装置是被配置成确定可归因于涡流模式的压力脉冲的涡流传感器。根据本公开内容的另一方面,气流确定装置是被配置成确定在气流入口处接收的气流的气流速度的空速管传感器。使用其他类型的风速计(例如,热风速计、声波风速计或可以装配在紧凑的空气过滤器装置中的任何其他类型的风速计)当然也在本发明的范围内。空气传感器装置可以包括或接收来自颗粒计数器的传感器数据,该颗粒计数器被布置成:对在空气过滤器布置的终过滤器之后的颗粒进行计数。可以将颗粒的计数与发动机劣化关联并且用于预测未来的劣化。
根据本公开内容的各方面,空气过滤器装置22还包括微处理器32,该微处理器32被布置成:处理从所述传感器31a至31c接收的传感器数据,以确定用于空气过滤器布置的操作状态信息,例如,估计的空气过滤器布置的剩余技术寿命或估计的过滤器劣化。通信单元33被布置成:将操作状态信息发送至接收空气过滤器控制系统。因此,空气过滤器装置可以被配置为包括控制电路(即微处理器)的智能装置,用于接收的传感器数据的现场处理。根据本公开内容的方面,空气过滤器装置还可以被配置为包括被布置成将传感器数据发送至接收处理单元的各种单独的传感器的传感器系统。空气过滤器装置中的通信单元33被配置成将确定的操作状态信息发送至接收空气过滤器控制站。空气过滤器装置22的微处理器32被布置成接收或获得来自传感器组31a至31c的数据,例如,关于根据预定时间间隔的连续基本记录值。根据本公开内容的方面,微处理器32实现在具有每20分钟收集信号并记录数据的CPU的印刷电路板中。微处理器被布置成:对信号输出之一执行快速傅里叶变换,得到离散的峰值,该峰值可以存储在空气过滤器装置的存储器中和/或被递送至空气过滤器控制站。预期每个空气过滤器装置每月大约500kB的数据存储,因此,在空气过滤器装置中也预见到存储器。
经处理的传感器数据被传送至接收空气过滤器控制站,该接收空气过滤器控制站能够处理从多个空气过滤器装置例如位于同一工业装备或不同工业装备处的多个装置接收的操作状态信息。下面将参照图4来描述包括空气过滤器控制站和一个或更多个空气过滤器装置的系统。根据本公开内容的方面,通信单元33可以是被配置成用于例如使用WiFi、GSM、LTE或任何类型的合适的无线技术的机器到机器通信的任何类型的无线通信单元。虽然没有具体示出,但是可以在空气过滤器装置中设置一个或更多个电池,来为通信单元、传感器和/或微处理器供电。空气过滤器装置也可以由电力线供电、使用备用电池电源或者通过电力线供电和电池电源的任意组合供电,例如在如下配置中,空气过滤器装置由远程电池供电的传感器和接收传感器数据的主计算机配置。
图3b公开了空气过滤器控制站的框图。空气过滤器控制站包括被布置成例如通过因特网从多个空气过滤器装置接收操作状态信息的通信单元。通信单元可以被配置为提供对因特网的访问的有线链路,或者被配置成由WiFi或移动数据连接提供的无线链路。空气过滤器控制站的处理电路被布置成处理所接收的操作状态信息并且估计所选择的空气过滤器布置的预期寿命。处理电路可以包括在操作员站中设置的处理电路,该操作员站为空气过滤器控制站提供用户接口,但是处理电路还可以包括例如从集中式或分布式服务器环境(如云环境)能够通过操作员站访问的远程服务器能力。图7a公开了被配置为用于计算机、平板计算机或诸如智能电话的移动设备的应用的这种操作员站的示例性实施方式。
图4公开了包括空气过滤器控制站42和一个或更多个空气过滤器装置41a、41b的用于空气过滤器管理的系统的示例性框图。在空气过滤器管理系统中,每个空气过滤器装置41a、41b包括在空气过滤器布置中,该空气过滤器布置被配置成:装配到工业装备(例如,燃气涡轮机发电厂或任何其他类型的燃气轮机发电厂)的气流入口中。空气过滤器布置包括能够从在气流入口处接收的气流中去除颗粒物质和/或空气传播的分子污染物AMC的至少一个过滤介质。系统的空气过滤器控制站42设置在远离一个或更多个空气过滤器布置,例如,设置在工业装备的操作控制环境中或者设置为能够通过计算机、平板计算机或移动设备访问的软件应用。空气过滤器布置的每个空气过滤器装置41a、41b包括用于将传感器数据无线传输至空气过滤器控制站42的通信单元。然而,传输不被视为直接的装置到装置通信,而要通过诸如常规数据网络结构的中间网络结构来执行。在每个空气过滤器装置与空气过滤器控制站之间示出了无线链路,以说明空气过滤器装置与空气过滤器控制站之间的通信的至少一部分通常涉及无线通信链路。
该系统的空气过滤器装置41a、41b设置在位于不同地理位置处的空气过滤器布置中,如在考虑发电厂应用时位于不同燃气轮机发电厂处的空气过滤器布置中。其他工业装备当然也在本公开内容的范围内,如用于压缩机站的燃气轮机或用于船舶或离岸应用的燃气轮机。空气过滤器控制站被配置成:从多个空气过滤器装置(优选地,不同位置的空气过滤器装置)编译数据,并且使用编译的数据来建立对操作特定工业装备中的相应空气过滤器布置的剩余寿命以及成本的可靠估计。
如上所述,方面涉及阻塞和公开的过滤器布置的过滤器单元之间的压降变化。因此,用于空气过滤器管理的系统可以包括一组传感器,所述一组传感器布置在包括位于一个或更多个特定过滤器单元上或附近的传感器的多个空气过滤器装置或者包括位于过滤器布置中的若干过滤器单元上或附近的大量传感器的单个空气过滤器装置中。一个或更多个空气过滤器装置被布置成收集表示用于特定工业应用的空气过滤器布置的操作状态的传感器数据。传感器是指包括一个或更多个感测探针和能够感测要监测的状况的仪器的装置。图3a中公开的传感器可以包括流量传感器、湿度传感器、环境灰尘浓度传感器和压降传感器中的一个或更多个。从每个传感器获得的输出是与测量条件对应的输出值,例如,每小时立方米的气流、相对空气湿度百分比、每立方米灰尘克数的灰尘浓度和相对压降dP。
包含传感器的空气过滤器装置41a、41b包括在空气过滤器布置中,例如,在空气过滤器装置的框架内、在过滤器单元的上游侧或过滤器单元的下游表面上。空气过滤器装置还可以从位于空气过滤器布置的外部的传感器(例如,位于空气过滤器布置的上游侧上的一些传感器,而其他传感器位于下游侧上)接收附加输入。
如所公开的,空气过滤器装置可以布置在过滤器布置中的两个或更多个过滤器单元的表面上或附近。因此,来自空气过滤器控制站的输出可以包括来自同一气流入口中的多个空气过滤器装置的输入,但是其中,各个空气过滤器装置的输入关于传感器数据输入(例如,颗粒的含量和压降)而不同。多个空气过滤器装置的使用允许过滤器布置中的过滤器单元的状况的更详细和平衡的信息,提供关于哪个过滤器可能更换起来最经济的信息以及对目前的过滤器单元的剩余寿命的可行估计。
空气过滤器装置被布置成收集空气过滤器数据,但是根据本公开内容的方面,也可以收集性能数据。也可以将这些数据直接从工业装备的操作员环境取回到空气过滤器控制站。
返回到图4,框图公开了用于空气过滤器管理的系统40,该系统40包括设置在相应的工业装备的不相关气流入口的空气过滤器布置处的至少两个空气过滤器装置41a、41b和空气过滤器控制站42。根据本公开内容的方面,如参照图3a描述的来实现每个空气过滤器装置41a、41b。微处理器通信地连接至一个或更多个传感器31a至31c,例如,流量传感器、温度传感器和/或湿度传感器、环境灰尘浓度传感器和/或用于确定跨过滤器的过滤器压降的至少一个传感器。根据本公开内容的另一方面,每个空气过滤器装置41a、41b与相应的空气过滤器布置集成在例如空气过滤器布置的上游侧或下游侧上。
根据本公开内容的方面,每个空气过滤器装置41a、41b被布置成:在机器到机器通信中例如通过使用无线链路43定期传输所收集的数据。尽管框图公开了每个空气过滤器装置41a、41b与空气过滤器控制站42之间的直接无线链路,但是对于本领域技术人员而言明显的是,实体可以通过多个无线节点进行通信,使得无线通信用于将数据从空气过滤器装置递送至接收控制站,但是在从每个空气过滤器装置41a、41b到空气过滤器控制站42的每个通信实例中可能不需要无线链路。还应该理解,空气过滤器控制站可以包括一个或更多个协作实体,其中可以提供用户接口例如作为计算机、移动电话或平板计算机上的应用,而例如通过位于不同位置或在同一地理位置中的协作服务器在云环境中执行实际处理。对于传输失败的情况,在空气过滤器装置中也预见到长达6个月的数据的本地存储。如提到的,空气过滤器装置还包括被布置成提供这种本地存储的存储器,并且空气过滤器装置还可以包括电源或电力储存器。
用于空气过滤器管理的系统40包括多个空气过滤器装置41a、41b和空气过滤器控制站42。每个空气过滤器装置41a、41b设置在至工业装备的气流入口中的空气过滤器布置处,其中空气过滤器布置包括至少一个过滤介质,该过滤介质能够从在气流入口处接收的气流中去除颗粒物质和/或空气传播的分子污染物AMC。每个空气过滤器装置41a、41b包括被布置成收集表示空气过滤器布置的操作状态的传感器数据的一组传感器,即,至少用于确定气流速率的流量确定装置,优选地还包括用于确定跨包括空气过滤器装置的空气过滤器布置的压降的传感器。每个空气过滤器装置41a、41b还包括微处理器和通信单元。空气过滤器控制站42还包括被布置成从多个空气过滤器装置41a、41b接收传感器数据的通信单元。空气过滤器控制站提供用于选择空气过滤器装置41a的空气过滤器布置的用户接口。空气过滤器控制站的处理电路被布置成:基于根据在所选择的空气过滤器布置的空气过滤器装置41a中收集的传感器数据所确定的操作状态信息以及从一个或更多个其他空气过滤器装置41b接收的传感器数据来估计所选择的空气过滤器布置41a的预期寿命。
根据本公开内容的方面,空气过滤器装置包括以下传感器中的一个或更多个:温度和湿度传感器、一个或多个压降传感器、环境灰尘传感器和气流量传感器。因此,空气过滤器装置可以提供空气过滤器管理所需的全套传感器数据。根据本公开内容的方面,气流量传感器可以使用定制的旋涡流量计来确定空气速度。背向气流安装的压力传感器用于确定压力变化和这些变化的频率。对来自压力传感器的输入执行快速傅立叶变换,得到FFT,用于确定由移动空气引起的涡流的主频率。根据该频率,可以确定移动空气的速度。
当计算压力损失和压力损失趋势(dP趋势)时,也可以使用来自气流测量的输入。dP趋势取决于由过滤器中的灰尘负荷引起的压力损失,还取决于由湿度和雨水引起的压力损失。由过滤器中的灰尘负荷引起的压力损失可能与灰尘浓度(g/m3)和气流(m3/小时)相关。可以根据与湿度的相关性来估计由湿度引起的压力损失。
工业设备例如燃气轮机的输出取决于到涡轮机的燃烧室的气流。气流的变化将对燃气轮机的输出产生显著影响;因此,需要对气流的数据进行标准化。
根据本发明的原理,空气过滤器布置用作用于测量宽范围的传感器数据的明确定义的测量平台。包括在空气过滤器装置中并且因此也包括在空气过滤器布置中的部件用于基于高度可靠的传感器数据生成更准确的预期寿命估计。
从过滤器管理的角度来看,环境空气中的灰尘浓度也是评估过滤器更换的益处/需求的重要输入。此外,环境空气灰尘浓度的测量还提供了在不同站点和不同过滤器之间进行基准测试的先决条件,即,使过滤器管理基于比现有技术过滤器管理应用中使用的数据集更大的数据集。发明人已经发现:当对来自中央储存器(即,空气过滤器控制站)中的表示相同类别的工业装备的多个空气过滤器装置的传感器数据进行编译时,可以产生更准确的估计。因此,本发明提供了改进每个特定空气过滤器装置的预期寿命估计以及改进生命周期成本估计的装置。
现有技术解决方案仅基于针对其确定压力损失的过滤器单元的特定条件,并且构建足够的传感器数据以实现对未来的过滤器条件的准确估计的处理可能证明是非常耗时的。发明人已经意识到:当估计工业装备例如燃气轮机发电厂中的空气过滤器布置的一个或更多个过滤器单元的寿命时,可以通过允许使用来自多个独立实体、空气过滤器装置的传感器数据来改善对传感器数据的访问。此外,发明人提出了以下解决方案:聚集数据,使得可以进行这种准确估计。根据本公开内容的方面,来自驻留在另一工业装备(表示同一类型的工业装备)中的空气过滤器装置的数据可以用于改善对空气过滤器布置的估计。
根据本公开内容的其他方面,本发明基于确定提供不相关传感器数据的空气过滤器装置的环境条件,并且使用来自多个空气过滤器装置的标准化传感器数据来改善对给定节点的预期寿命估计。这是基于实验室计算的容尘量DHC进行的过滤器寿命的典型估计的问题。然而,发明人已经发现:在需要替换之前可以容纳100克“实验室灰尘”的过滤器实际上可能具有如下技术寿命,其意味着大约50克至300克“真实世界”灰尘之间的负载。通常,用于估计特定工业装备的空气过滤器布置的预期寿命的现有技术解决方案依赖于关于过滤器中可能包括多少“真实世界”灰尘的猜测,但是这种猜测的不确定性是相当显著的。通过确定过滤器单元中产生的压力与现场灰尘之间的关系,可以在不同过滤器类型与站点之间进行合理比较,并且当生成预期寿命的估计或生命周期成本的估计时,可以使用来自各种类型的过滤器和站点的数据。
一旦可以确定由于过滤器条件引起的压力损失,就可以计算这对工业装备的性能产生多大影响,例如,降低燃气轮机发电厂的输出,这可以根据货币价值(例如,美元价值)来表示。
根据本公开内容的方面,每个空气过滤器装置还可以包括LED状态灯,该LED状态灯用于指示相应的过滤器单元需要替换。
空气过滤器装置用于收集定期被传输至空气过滤器控制站的传感器数据。工业装备的每个操作员能够从空气过滤器控制站访问与其特定安装的条件有关的数据。根据本公开内容的方面,通过网站、平板计算机的应用或移动设备的应用来提供至空气过滤器控制站的通信接口。在图7a中描绘了这种用户接口。用户接口能够由工业装备的操作员访问,但是也可以由过滤器提供者访问,使得有了更多准备根据实际需要而不是根据预先计算的过滤器替换程序来提供替换过滤器。可以在图形图像中呈现表示过滤器的预期寿命以及与估计的寿命相关联的过滤器成本的数据。图7b示出了过滤器的寿命周期成本以及与使过滤器劣化的连续操作相关联的成本(即,与从发电厂的输出减少相关的成本)的图形表示。根据本公开内容的其他方面,发电厂操作员可以向空气过滤器控制站提供附加的操作数据。
在空气过滤器控制站中,收集的数据被处理。这种处理意味着:基于测量的数据来校正流动条件的数据,创建压降dP的历史趋势线,并基于历史趋势线来预测未来的dP。根据本公开内容的各方面,空气过滤器控制站还将压降值转换为货币值,以显示由于压降导致的生产输出的减少。
在空气过滤器控制站的通信接口中,终端用户按时接收视觉信息,直到由于技术原因(即,压力损失)而需要替换过滤器为止;出于商业原因而推荐直到过滤器替换的时间;用于基于商业原因而非技术原因进行过滤器替换的成本节省。商业方面的呈现中的重要方面是工业装备的性能劣化,例如,遭遇到燃气轮机的燃烧室的气流的劣化。
图5公开了在空气过滤器装置中执行的示例性方法步骤的流程图。空气过滤器装置被配置成:使用公知的传感器技术来获得S51传感器数据。这样的传感器数据包括根据布置在空气过滤器布置上或布置在空气过滤器布置中的现有技术传感器生成的传感器数据。从系统的角度来看,即使紧凑、智能空气过滤器装置为测量的传感器数据的准确性以及无延迟替换有缺陷的传感器的能力提供许多益处,但是本发明不限于传感器的特定设置。空气过滤器装置还包括微处理器,该微处理器被配置成:处理S52所获得的传感器数据,以确定表示空气过滤器装置所在的空气过滤器布置的操作状态的操作状态信息。空气过滤器装置将操作状态信息发送S53至接收远程空气过滤器控制站。从空气过滤器传感器装置到空气过滤器控制站的经处理的传感器数据的传输可以至少部分地通过无线通信链路来执行。
图6公开了在用于空气过滤器管理系统中的空气过滤器管理的空气过滤器控制站中执行的示例方法的流程图。在其最一般的上下文中,该方法包括:从多个空气过滤器装置接收S61操作状态信息。根据本公开内容的方面,空气过滤器装置还可以被布置成:接收S62与工业装备相关的性能数据,其中空气过滤器布置被操作。在另一个步骤中,空气过滤器控制站接收S63与空气过滤器管理系统中的一个或更多个空气过滤器装置中的所选择的空气过滤器布置相关的过滤器条件查询。空气过滤器控制站处理查询,并且基于从相应的空气过滤器装置接收的操作状态信息和从一个或更多个其他空气过滤器装置接收的操作状态信息来估计S64所选择的空气过滤器布置的预期寿命。在可选的步骤中,基于估计的预期寿命和所选择的空气过滤器布置的工业装备的性能数据来估计生命周期成本。在生命周期成本的评估中,可以将从估计的预期寿命可得到的过滤器替换成本与从工业装备中的空气过滤器布置的使用可得到的操作成本(例如,与当使用接近其寿命结束的空气过滤器布置进行操作时来自燃气轮机发电厂的减少的输出相关联的成本)进行比较。如前所述,这种减少的输出可能由于支持燃烧过程的空气流入减少。
在工业装备的操作员(例如,发电厂操作员和/或过滤器维护人员或任何其他授权的接受者)可访问的用户接口上接收S63查询。可以在一旦新数据进入系统接收到系统即空气过滤器布置中的任何过滤器中的数据时或者在接收到与给定的空气过滤器布置的预期寿命有关的查询时执行所选择的过滤器布置的预期寿命的估计。优选地,一旦在系统中接收到新数据,就连续地更新空气过滤器控制站登记的所有空气过滤器装置的预期寿命。
所选择的空气过滤器布置的预期寿命的估计优选地通过使用诸如Kriging模型的元模型来实现,该元模型允许在无需过度的计算工作的情况下在迭代过程中进行设计优化。然而,用于估计预期寿命的具体建模原理不是本发明的一部分,其中可以从多个建模技术的使用来得到对预期寿命的估计。
图7a公开了空气过滤器控制站的用户接口的示例,其中在平板计算机中实现空气过滤器控制站的软件和处理能力的至少一部分。图7b公开了公开操作员方面的图形图像的示例,其中计算并显示了空气入口对燃气轮机的成本影响。成本影响包括燃料成本的增加、由过滤器中的压力损失导致的输出功率的损失以及过滤器替换成本。虽然过滤器替换成本随着时间而减少,但是生产损失的成本趋势相反。利用这些成本的准确估计和预期的过滤器使用寿命,可以实时计算最佳的过滤器替换或调整时间间隔,并且可以接收关于从接受在给定时间点更换过滤器的推荐而得到的省钱的建议。
根据本公开内容的方面,空气过滤器控制站可以是云应用,其中以规则的时间间隔(例如,每天一次)收集和分析数据。每个客户都接收使他们能够访问他们的群中的一些或全部燃气轮机的过滤器数据的登录名和密码。客户能够确定至燃气轮机发电厂的每个气流入口的状况、过滤器布置的技术寿命和过滤器布置的经济寿命(即,当在进一步的操作中维护过滤器的成本的时间点超过更换过滤器的成本)。来自空气过滤器控制站的数据也可以被过滤器替换提供者访问,使得他们能够改善关于售后市场过滤器替换销售的服务,而且还能够基于历史性能数据来建议对过滤器配置的修改。
本发明还涉及计算机程序产品,该计算机程序产品被布置成当被执行时在包括多个空气过滤器装置和空气过滤器控制站的空气过滤器管理系统中执行上面公开的方法步骤。
在上面的描述中公开的空气过滤器装置和空气过滤器管理系统提供使得能够访问附加数据以估计过滤器替换的成本和益处的优点。此外,空气过滤器装置提供对递送至空气过滤器管理系统的更可靠的过滤器数据的访问,从而甚至进一步提高估计的质量。

Claims (15)

1.一种用于空气过滤器管理的系统(40),所述系统包括空气过滤器装置(41a,b)和空气过滤器控制站(42),其中,每个空气过滤器装置(41a,b)设置在至工业装备的气流入口中的空气过滤器布置处,所述空气过滤器布置包括能够从所述气流入口处接收的气流去除颗粒物质和/或空气传播的分子污染物AMC的至少一个过滤介质,其中,每个空气过滤器装置包括:一组传感器,被布置成收集表示所述空气过滤器布置的操作状态的传感器数据;微处理器,被布置成基于收集的传感器数据来确定所述空气过滤器布置的操作状态信息;以及通信单元,被布置成传输所述操作状态信息,其中,所述空气过滤器控制站(42)包括:通信单元,被布置成从多个空气过滤器装置接收操作状态信息;用户接口,用于选择空气过滤器布置;以及处理电路,被布置成估计所选择的空气过滤器布置的预期寿命,其特征在于,所述估计的预期寿命基于从设置在所选择的空气过滤器布置处的空气过滤器装置(41a)接收的操作状态信息和从设置在其他空气过滤器布置处的一个或更多个其他空气过滤器装置(41b)接收的操作状态信息,并且一旦在所述系统中接收到新数据,就连续地更新向空气过滤器控制站登记的所有空气过滤器装置的预期寿命。
2.根据权利要求1所述的系统,其中,所述一个或更多个其他空气过滤器装置(41b)中至少之一设置在至另一工业装备的气流入口中的空气过滤器布置处。
3.根据权利要求1或2所述的系统,其中,所述一组传感器包括流量传感器、湿度传感器、环境灰尘浓度传感器和压降传感器中的一个或更多个。
4.根据权利要求1或2所述的系统,其中,所述空气过滤器控制站(42)还被布置成:接收与相应空气过滤器布置对应的工业装备的性能数据,并且基于估计的预期寿命和所选择的空气过滤器布置的所述工业装备的性能数据来估计生命周期成本。
5.根据权利要求4所述的系统,其中,所述生命周期成本估计还基于从设置在其他空气过滤器布置处的一个或更多个其他空气过滤器装置接收的性能数据。
6.根据权利要求4所述的系统,其中,每个空气过滤器装置(41a,b)还被布置成:获得用于所述相应空气过滤器布置的所述工业装备的性能数据,并且将获得的性能数据传输至所述空气过滤器控制站。
7.根据权利要求6所述的系统,其中,所述性能数据是通过所述用户接口来接收的。
8.根据权利要求中1所述的系统,其中,所述操作状态信息是所述空气过滤器装置中的压降dP的趋势线。
9.根据权利要求8所述的系统,其中,所述空气过滤器装置中的压降dP的趋势线是根据来自一个或更多个过滤器压降传感器的传感器数据与至少一个流量传感器、环境灰尘浓度传感器和/或湿度传感器的传感器数据的相关性来计算的。
10.根据权利要求中1或2所述的系统,其中,所述工业装备是燃气轮机发电厂、涡轮动力压缩机站或涡轮动力机械驱动器。
11.根据权利要求4所述的系统,其中,所述性能数据表示燃气轮机发电厂的输出。
12.一种在根据权利要求1至11中任一项所述的用于空气过滤器管理的系统(40)的空气过滤器控制站中执行的方法,所述方法包括:
从多个空气过滤器装置接收(S61)操作状态信息,每个空气过滤器装置设置在空气过滤器布置处,
通过用户接口来接收(S63)对空气过滤器装置的所选择的空气过滤器布置的查询;以及
基于操作状态信息来估计(S64)所选择的空气过滤器布置的预期寿命,
其特征在于,从设置在所选择的空气过滤器布置处的空气过滤器装置接收所述操作状态信息以及从设置在其他空气过滤器布置处的一个或更多个其他空气过滤器装置接收所述操作状态信息,并且一旦在所述系统中接收到新数据,就连续地更新向空气过滤器控制站登记的所有空气过滤器装置的预期寿命。
13.根据权利要求12所述的方法,还包括:
接收(S62)与相应空气过滤器布置对应的工业装备的性能数据,以及
基于估计的预期寿命和所选择的空气过滤器布置的工业装备的性能数据来估计(S65)生命周期成本。
14.根据权利要求12或13所述的方法,其中,响应于从多个空气过滤器装置接收到所述传感器数据或者响应于接收到对空气过滤器装置的所选择的空气过滤器布置的查询而生成对预期寿命的估计。
15.一种包括计算机程序代码的计算机程序,所述计算机程序代码在被执行时使空气过滤器管理的系统执行根据权利要求12至14中任一项所述的方法。
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