CN109312630A - 用于监测非旋转涡轮机部件的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于监测非旋转涡轮机部件的方法包括测量至少一个涡轮机部件的位移的步骤。监测步骤用非接触型传感器(420)监测涡轮机部件的位移。收集步骤收集关于涡轮机部件的位移的数据。分析步骤分析数据以确定位移是否超过预定阈值范围。非接触型传感器(420)可以通过由具有低热膨胀系数的材料形成的棍(424)附接到涡轮机，并且对象(422)可以附接到紧邻非接触型传感器的固定结构。
Description
技术领域
本文描述的方法和系统一般涉及涡轮机，并且更具体地，涉及用于监测非旋转或固定涡轮机部件的方法和系统。
背景技术
蒸汽涡轮(或称为蒸汽轮机，即steam turbine)的操作可能需要应用控制机器上游的流体流动的阀。通常，有两种类型的控制和保护涡轮的主阀，控制阀和截止阀。现代蒸汽涡轮通常采用是组合控制和截止阀的阀，其不仅在打开和关闭模式下操作，而且也在中间位置操作。组合控制和截止阀包括具有控制阀杆和控制阀盘的控制阀，以及具有截止阀杆和截止阀盘的截止阀。两个阀组装在一个共同的压力容器中，并且可以共用一个座。控制阀盘相对于阀座定位，并且被致动以调节或节流流体流动。截止阀位于在于阀座中的开口内，并且通常在某些情况下被致动以通常防止涡轮过速。
当固体颗粒从涡轮构件诸如(例如锅炉管和铅管(或称为引导管，即lead pipe))上剥落时，固体颗粒侵蚀(SPE)在涡轮内发生。剥落的颗粒被夹带在流动路径中。颗粒由位于蒸汽涡轮内的高速流动路径所携带。这些流动路径可以引起颗粒以相对高的速度撞击位于蒸汽涡轮内的构件。例如，颗粒可能撞击位于组合控制和截止阀的阀座内的截止阀杆。对于截止阀杆的颗粒撞击的问题进一步与以下事实相混合：阀座倾向于具有会聚喷嘴几何形状，该几何形状将颗粒引向截止阀杆。
安装期间的过多的管道负载会导致蒸汽涡轮调试期间的振动问题。由于过度的顶部到底部热差温度或来自作用在固定构件上的热/冷位置管道负载，固定构件的垂直差动可能引起额外的应力或振动问题。固定构件的这种运动可能导致密封件磨损、永久性弯曲转子和过度的振动水平。
蒸汽涡轮通常由厚的绝缘层覆盖。绝缘(或称为绝缘体，即insulation)是有益的，因为它减少了向涡轮外部环境的热传递，并且这提高了机器效率。然而，厚的绝缘层还使得难以监测蒸汽涡轮的非旋转/固定构件，诸如蒸汽涡轮壳体和控制/截止阀，因为这些固定构件也可被绝缘层覆盖。
发明内容
在本发明的一个方面，一种用于监测非旋转涡轮机部件的方法包括测量至少一个涡轮机部件的位移的步骤。监测步骤用非接触型传感器监测涡轮机部件的位移。收集步骤收集关于涡轮机部件的位移的数据。分析步骤分析数据以确定位移是否超过预定阈值范围。非接触型传感器可以通过由具有低的热膨胀系数的材料形成的棍(或称为杆，即rod)附接到涡轮机，并且对象(或称为目标，即target)可以附接到紧邻非接触型传感器的固定结构。
在本发明的另一方面，一种用于监测非旋转涡轮机部件的系统包括位于紧邻对象的非接触型传感器。非接触型传感器或对象通过由具有低的热膨胀系数的材料形成的棍附接到非旋转涡轮机部件。对象或非接触型传感器附接到位于非旋转涡轮机部件附近的固定结构。固定结构基本上与非旋转涡轮机部件分开。非接触型传感器测量非旋转涡轮机部件的位移。
附图说明
图1示出了蒸汽涡轮的上壳体和下壳体的分解透视图。
图2示出了组合止动/控制阀组件的局部横截面图。
图3示出了放大的局部横截面图，其示出了处于中间阀打开状况的流量控制阀和截止阀。
图4是根据本发明的一个方面的涡轮机的简化横截面示意图。
图5示出了根据本发明的一个方面的蒸汽涡轮阀诸如控制/截止阀的简化示意顶视图。
图6是根据本发明的一个方面的用于监测非旋转或固定涡轮机部件的方法的流程图。
具体实施方式
下面将描述本发明的一个或多个具体方面/实施例。为了提供这些方面/实施例的简明描述，可能未在说明书中描述实际执行的所有特征。应当理解，在任何此类实际执行的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多特定于执行的决策以实现开发者的特定目标，诸如遵守与机器相关的、与系统相关的和与商业相关的约束，其可能随一执行至另一执行而变化。此外，应该理解的是，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员来说仍然是设计、加工和制造的常规任务。
当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”和“该”旨在表示存在一个或多个元件。术语“包含”、“包括”和“具有”旨在是包括性的，并且意味着可能存在除所列元件之外的其他元件。操作参数和/或环境状况的任何示例不排除所公开实施例的其他参数/状况。另外，应该理解的是，对本发明的“一个实施例”、“一个方面”或“实施例”或“方面”的引用不旨在被解释为排除包括所述特征的另外的实施例或方面的存在。
图1示出了蒸汽涡轮的上壳体和下壳体的分解透视图。汽轮涡轮是涡轮机，但涡轮机也包括燃气涡轮和压缩机。蒸汽涡轮壳体100可包括上壳体110和下壳体120。当两个壳体固定在一起时，两个壳体限定了容纳转子和定子构件(未示出)的中心腔130。上壳体和下壳体通过将上壳体110的臂112栓接至下壳体120的臂122在水平接头140中机械地紧固在一起。当完全组装时，壳体100可以基本上被包裹在厚的绝缘层中，并且许多固定或非旋转的涡轮机部件(例如涡轮机壳体、控制/截止阀、蒸汽涡轮阀、管道等)也可以被包裹在绝缘体中。绝缘体遮挡了非旋转或固定部件，这使得难以看到和观察这些部件。
图2示出了组合止动/控制阀组件或蒸汽涡轮阀200的局部横截面图。阀200具有蒸汽阀体201，蒸汽阀体201具有蒸汽入口202和蒸汽出口203。 在入口202和出口203之间，设置有具有控制阀盘211的流量控制阀210，具有截止阀盘221的截止阀220和阀座230。在流量控制阀210上方，设置有控制阀致动器，该控制阀致动器包括在伺服阀213的控制下的液压缸212，该伺服阀213用于向缸212供应流体以升高和降低控制阀盘211。缸212的活塞联接到十字头214，十字头214继而联接到垂直轴215，用于克服螺旋管弹簧216的偏压升高阀盘211。当液压流体在接收到来自蒸汽阀控制系统的快速关闭信号时从缸212泄流时，弹簧216用于快速关闭流量控制阀211。因此，应当理解，当涡轮进行负载变化时，通过使用伺服阀213，可以控制流量控制头211相对于座230的位置。例如，如果涡轮机速度加速超过正常，则控制阀210将开始关闭蒸汽入口202和蒸汽出口203之间的蒸汽流动。如果从控制系统接收到快速关闭控制信号，则伺服阀泄流液压流体，并且弹簧216快速关闭流量控制阀211以关闭蒸汽入口202和出口203之间的阀。
截止阀盘221安装在截止阀杆222上，该截止阀杆222通过合适的包封延伸到液压缸223。提供弹簧224用于将截止阀盘221偏压到阀关闭位置(即，快速关闭截止阀)。提供伺服阀225用于向和从液压缸223的活塞的相对侧供给液压流体。另外，提供快速作用的泄流阀(或称为排放阀，即dump valve)226，用于响应于来自蒸汽阀控制系统的快速关闭信号从缸223泄流液压流体。提供换能器(或称为传感器，即transducer)227以感测截止阀的位置并将感测到的位置提供给蒸汽阀控制系统240。控制系统包括未示出的伺服阀，用于向缸212供应流体并从缸212接收流体，以将控制阀盘211相对于座230定位。控制阀上的位置换能器感测控制阀位置。控制系统继而控制螺线管致动阀225，以将液压流体供应到缸223，以保持截止阀盘221的位置与控制阀盘211的位置成比例(至少在预期的经过阀的不稳定流动的时期期间)。在涡轮运行期间，截止阀和控制阀都在完全关闭位置启动。首先，截止阀被致动到完全打开位置，使得截止阀盘221和截止阀螺母嵌于控制阀盘211内。随后，控制阀缓慢打开，这使得流体能够在控制阀盘表面302和阀座表面230之间流动。根据涡轮的负载要求，控制阀可以定位在完全关闭和完全打开之间的任何位置。
图3示出了放大的局部横截面图，其示出了处于中间阀打开状况的流量控制阀211和截止阀221。图4是涡轮机(诸如蒸汽涡轮)的简化横截面示意图。涡轮机400具有外壳体110,120(如结合图1所述)。中心腔130包含定子和转子部件(未示出)。涡轮机400具有放置在涡轮机上的绝缘体410，以减少机器操作期间的热损失。通常，该绝缘体410可以非常厚并且可以基本上覆盖固定或非旋转涡轮机部件中的一些或全部。如前所述，这些固定或非旋转涡轮机部件可包括涡轮壳体110,120、蒸汽涡轮阀200(在蒸汽涡轮应用中)壳体法兰或壳体臂、管道和任何其他合适的固定/非旋转部件。从图4，显而易见的是，蒸汽涡轮阀200(例如，控制/截止阀)完全或基本上被绝缘体410包住，从而使其观察不可能或至少非常困难。以类似的方式，涡轮壳体110,120也被绝缘体410遮挡，从而使其观察或监测不可能或至少非常困难。
根据本发明的一个方面，用于监测涡轮机的固定或非旋转部件的系统450可用于实时监测涡轮机的振动或位移。该系统包括非接触型传感器420，其紧邻于对象422。紧邻被定义为在传感器420和对象422之间的合适范围。该范围的非限制性示例可以是大约1英寸至大约8英寸或更大，但是该范围具体地由传感器420的特性确定。对象422可以通过棍424附接到涡轮机部件(例如，壳体110或120)。棍424由具有低的热膨胀系数的材料形成，并且延伸穿过绝缘体410。传感器420附接到位于涡轮机部件附近的固定结构401。例如，在涡轮机部件是涡轮壳体的情况下，固定结构401可以是附近的壁、支柱或基本上与涡轮机壳体分离的任何其他支撑件。这里的要点是固定结构401应该基本上与涡轮机部件热独立，使得热和/或振动引起的机器位移不会影响附近的固定支撑结构。在所示的示例中，传感器420、对象422对测量水平径向方向上的位移。传感器420'、对象422'对测量垂直径向方向上的位移。两个示出的传感器/对象对彼此以或大约90度配置，使得可以在两个维度上检测涡轮壳体的位移。备选地，传感器420可以安装在棍424上，并且对象422安装在固定支撑结构上。
非接触型传感器420可以是位移传感器，其测量在传感器420和对象422之间的距离。作为非限制性示例，传感器420可以是激光位移传感器、线性可变差动变压器(LVDT)传感器、微波传感器、磁或感应传感器、光学传感器、激光传感器或任何其他合适的位移或振动测量装置。在激光传感器示例中，激光的光从传感器420发射并且被对象422反射回传感器420。对象422中的多个反射层可用于反射多个光束，并且三角测量可用于确定传感器420和对象422之间的距离。当实时监测该数据时，可确定涡轮机部件的精确位移并将其与预定值进行比较，以检测部件位移/振动是否正常或是否超过所需范围。如果检测到过度的部件静态位移或振动，则该事件可能表示固定/非旋转涡轮机部件上的部件腐蚀、故障或不期望的负载。
棍424具有低的热膨胀系数，以使其在加热期间的运动最小化，使得对象422的运动主要由壳体110,120运动单独地引起。当在20℃和100℃之间，或者在20℃和2000℃之间测量时，棍424的示例性热膨胀系数小于约1.5ppm/℃。具有这些属性的材料是Invar、FENi36或64FeNi。如果其他材料具有适当低的热膨胀系数，则其他材料也可用于棍424。棍424也应该由能够承受涡轮壳体外部所见的高温的材料制成。棍424是重要的，因为它允许涡轮机部件和传感器420(或对象422)之间的直接连接，并且将传感器420定位在绝缘体外部(或者至少在与对象422的直接视线中)。
棍424和传感器420可沿涡轮壳体110,120放置在多个位置中，例如在壳体臂112,122上，沿壳体凸缘或上壳体和下壳体之间的接头或在蒸汽涡轮阀200上，或在任何其他所需的固定/非旋转涡轮机部件上。位移传感器420还可以被配置为通过定向传感器420和对象422来获得三个或更多个轴线上的移动，以检测径向方向和轴向方向上的位移。 轴向方向将是在图4中的页面内或外上。
图5示出了根据本发明的一个方面的蒸汽涡轮阀200诸如控制/截止阀的简化示意顶视图。传感器420附接到固定结构501，固定结构501可以是壁、支柱或涡轮机附近的任何其他合适的结构。传感器420/对象422对测量水平径向轴线上的位移和/或振动。传感器420'/对象422'和传感器420''(安装到棍424)和对象422''(安装到固定结构501'')对测量垂直径向轴线上的位移和/或振动。传感器420'''和对象422'''对测量轴向轴线上的位移和/或振动。此示例显示了被监测的三个轴线，但可以通过在其他方向上倾斜附加传感器/对象来监测附加的轴线，例如径向和轴向轴线之间的45度角，或垂直径向和水平径向轴线之间的45度角。传感器和对象对也可以定位成通过测量外表面的运动来测量各个阀构件(诸如控制阀杆、截止阀杆、阀壳等)的运动。类似地，阀杆、盘等的内部构件运动可以通过在阀壳上安装一个小的、额定高温的、光学透明的窗口(例如蓝宝石)来测量，该窗口通过激光的光。
多个非接触型传感器420可以将位移/振动数据传输到控制系统510。传输可以通过有线或无线链路进行。控制系统可以位于与涡轮机相同的位置，或者控制系统510可以远程地定位。 如果位移(或振动)超过预定阈值范围，则控制系统将分析、确定和/或报告警报。例如，如果控制/截止阀200正在经历腐蚀，那么它可能开始振动超过正常预期范围，并且在这种情况下，传感器422将检测到这种过度位移/振动，并且控制系统510将确定控制/截止阀200正在经历潜在的问题或可能发生故障。传感器420和对象422也可以处于交替的位置中。对象422可以安装在棍424上，而传感器420附接到固定结构501，如由对象422'和传感器420'所示。
图6是根据本发明的一个方面的用于监测非旋转或固定涡轮机部件的方法600的流程图。测量方法测量至少一个涡轮机部件的位移并包括以下步骤。监测步骤610利用非接触型传感器420监测涡轮机部件的位移。监视可以在机器操作期间实时发生，和/或以有规律预定的间隔发生。传感器420可以是激光传感器、线性可变差动变压器(LVDT)传感器、微波传感器、磁传感器或光学传感器。收集步骤620收集关于涡轮机部件(例如，涡轮壳体或涡轮阀)的位移的数据。分析步骤630分析数据以确定位移是否超过预定阈值范围。如果数据确实指示过度位移或振动，则控制系统可以显示警告或警报，其向操作员通知涡轮机部件的状况。然后，控制步骤640调整系统操作以改善性能和/或可靠性。
系统450可用于监测固定/非旋转涡轮机部件相对于固定位置的静态和动态位移/运动的变化，使得能够对于用于涡轮机的所有操作和非操作状况的固定/非旋转涡轮机部件运动进行实时评估。要进行的评估可以是绝缘质量、间隙评价、以及施加到涡轮机的热负荷和冷负荷。该系统还可用于通过实时提供固定/非旋转涡轮机部件的振动特性来诊断和补充困难的转子系列振动问题，以与轴振动数据一起使用，这有助于查明振动的来源、位置和/或原因。除了诊断能力之外，本发明还可以用于馈给分析模型(即数字双胞胎)，该分析模型能够在可靠性、可用性等方面实现涡轮机械的优化启动和加载。
可以用系统450诊断与管道负载相关的复杂安装问题，其影响单元的冷位置。本发明可以验证管道负载是否满足或超过要求并为涡轮设定基线。安装期间中过度的管道负载可能会在涡轮调试期间导致振动问题。本发明可以查明管道负载可能超出公差的精确位置，并且可以指导技术人员到需要调整的精确的管道和精确的位置。本发明还可以用于通过在固定/非旋转构件的多个位置处提供补充的动态位移内容来解决或确定与当前旋转设备接近探针耦合时的周边设备(BOP)相关的振动问题的根本原因或来源。可以跟踪、监测固定/非旋转部件的运动并与建立的基线进行比较，以确定负载或绝缘体的变化是否随时间改善或退化，这将使得能够执行预测性的和/或基于状况的维护。
此书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使任何本领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本发明可申请专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则意在使这些其他示例处于权利要求的范围内。
Claims (20)
1.一种用于监测非旋转涡轮机部件的方法，所述方法包括：
测量至少一个涡轮机部件的位移，所述测量包括：
(a)用非接触型传感器监测所述涡轮机部件的位移；
(b)收集关于所述涡轮机部件的位移的数据；
(c)分析所述数据以确定所述位移是否超过预定阈值范围。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述非接触型传感器通过由具有低的热膨胀系数的材料形成的棍附接到所述涡轮机部件，并且对象附接到紧邻所述非接触型传感器的固定结构。
3.根据权利要求2所述的方法，当在20℃和2000℃之间测量时，所述材料具有小于约1.5ppm /℃的热膨胀系数。
4.根据权利要求2所述的方法，所述材料包括Invar、FeNi36或64FeNi。
5.根据权利要求2所述的方法，所述非接触型传感器包括激光传感器。
6.根据权利要求2所述的方法，所述非接触型传感器包括如下中的一个：
激光传感器、微波传感器、磁传感器或光学传感器。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，对象通过由具有低的热膨胀系数的材料形成的棍附接到所述涡轮机部件，并且所述非接触型传感器附接到紧邻所述对象的固定结构。
8.根据权利要求7所述的方法，当在20℃和2000℃之间测量时，所述材料具有小于约1.5ppm /℃的热膨胀系数。
9.根据权利要求7所述的方法，所述材料包括Invar、FeNi36或64FeNi。
10.根据权利要求9所述的方法，所述非接触型传感器包括如下中的一个：
激光传感器、微波传感器、磁传感器或光学传感器。
11.根据权利要求1所述的方法，所述非旋转涡轮机部件是蒸汽涡轮壳体或蒸汽涡轮阀。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，两个非接触型传感器或两个对象附接到所述非旋转涡轮机部件并且彼此大约90度地配置，使得所述非旋转涡轮机部件的位移在两个维度中被检测。
13.一种用于监测非旋转涡轮机部件的系统，所述系统包括：
位于紧邻于对象的非接触型传感器，所述非接触型传感器或所述对象通过由具有低的热膨胀系数的材料形成的棍附接到所述非旋转涡轮机部件；
所述对象或所述非接触型传感器附接到位于所述非旋转涡轮机部件附近的固定结构，所述固定结构基本上与所述非旋转涡轮机部件分离；并且
其中，所述非接触型传感器测量所述非旋转涡轮机部件的位移。
14.根据权利要求13所述的系统，当在20℃和2000℃之间测量时，所述材料具有小于约1.5ppm /℃的热膨胀系数。
15.根据权利要求13所述的系统，所述材料包括Invar、FeNi36或64FeNi。
16.根据权利要求13所述的系统，所述非接触型传感器包括激光传感器。
17.根据权利要求13所述的系统，所述非接触型传感器包括如下中的一个：
激光传感器、微波传感器、磁传感器或光学传感器。
18.根据权利要求13所述的系统，所述非旋转涡轮机部件是蒸汽涡轮壳体或蒸汽涡轮阀。
19.根据权利要求13所述的系统，其中，所述棍构造成延伸穿过放置在所述涡轮机部件上方的绝缘体，使得所述非接触型传感器具有至所述对象的无阻碍的视线。
20.根据权利要求13所述的系统，其中，两个非接触型传感器或两个对象附接到所述非旋转涡轮机部件并且彼此大约90度地配置，使得所述非旋转涡轮机部件的位移在两个维度中被检测。
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