CN114239156A - 监测机器的操作的方法和实现方法的计算机实现监测系统 - Google Patents

Abstract

用于监测机器的操作的方法包括：提供将控制参数链接到操作参数的函数；操作机器并且在机器正操作的同时，测量控制参数和操作参数；基于所测量的操作参数，通过函数的方式计算控制参数；将所测量的控制参数与所计算的控制参数比较，并且当它们不匹配时，生成警报。所述方法还包括定义拟合时间窗口并且基于通过拟合时间窗口所测量的所测量的操作参数和所测量的控制参数调整函数。

Description

监测机器的操作的方法和实现方法的计算机实现监测系统

相关申请的交叉引用

本专利申请要求来自在2020年9月9日提交的欧洲专利申请no. 20195343.7的优先权，该专利申请的整个公开通过引用结合在本文中。

技术领域

本发明涉及用于监测机器的操作的方法和用于实现所述方法的计算机实现监测系统。

机器可以是用于电功率生成的发电站的一部分，例如燃气涡轮、蒸汽轮机、诸如涡轮发电机或水轮发电机之类的发电机。机器还可以是用于电功率生成的发电站。在下文中，将特别地参考燃气涡轮。

背景技术

在操作期间，诸如燃气涡轮之类的机器可能经受可以影响其操作的损坏。

在诸如完整的涡轮机或压缩机叶片的分离（detachment）之类的大损坏的情况下，机器的安全性系统可以停止机器操作，以保护机器完整性并且允许所需要的修复。

在不触发安全系统介入的小损坏的情况下，例如如果只有压缩机叶片的一部分飞离（fly away）或密封件破坏，使得机器操作可以或多或少未受影响地继续，机器将继续操作但损坏将恶化，在一些情况下造成需要长时间停机以修复的中期或长期的大损坏。

用来处理这些小损坏的第一方式是要监测一些参数的平均值的变化。这种方式非常依赖于其中测量参数的平均值的时间窗口的大小，因为短窗口将提供许多错误的警报，而长窗口将在许多情况下将不发出任何警报；这种方法因此不可靠。

用来处理小损坏的第二方式依靠人工智能和机器学习，并且提供一些参数的监测以识别模式（pattern），所述图案基于其中机器已知已经出故障的情况的数据库指示问题已经出现。这种方法在计算上非常密集，并且需要关于机器故障的大量可靠数据。

发明内容

本发明的方面包括提供用于监测机器的操作的方法和用于实现所述方法的计算机实现监测系统，其是可靠的并且同时需要有限的计算资源和数据。

通过提供根据所附权利要求所述的方法和计算机实现监测系统实现这些方面和另外的方面。

附图说明

从方法和系统的优选但非排他的实施例的描述中，另外的特性和优势将更显然，所述实施例在附图中通过非限制性示例的方式图示，其中：

图1示出燃气涡轮；

图2示出具有拟合（fitting）时间窗口的时间线。

具体实施方式

系统

参考附图，这些附图示出诸如燃气涡轮1之类的机器；即使在下文中特别地描述燃气涡轮，也可以利用这种方法监测其他类型的机器，例如发电机（即，涡轮发电机或水轮发电机）或蒸汽轮机或其他机器；机器还可以是多个机器的复杂布置，例如用于电功率生成的发电站。

燃气涡轮1具有压缩机2、燃烧室3和涡轮4；不同布置如已知的那样是可能的，以及例如燃气涡轮可以具有在第一燃烧室下游的第二燃烧室，其中高压涡轮和/或空气稀释器在两个燃烧室之间。

压缩机的进口通常提供有VIGV 8（可变进口导向导叶（vane）），即，调节容许进入压缩机中的空气量的可调导向导叶，并且压缩机和涡轮具有转子叶片和导叶。

燃气涡轮1通常具有控制系统和安全系统；这两个系统可以由单独的或相同的电路系统实现。

控制系统接收数据输入（例如环境压力、温度、湿度、所需功率等）以及供应用于驱动燃气涡轮的控制数据（例如VIGV位置、燃料质量流供应等）。

安全系统同样接收输入数据，所述输入数据可以与由控制系统所接收的数据相同或不同，以及在这些输入数据示出指示损坏已经发生在燃气涡轮中的不规则的和异常的值的情况下使燃气涡轮跳闸。

在操作期间，燃气涡轮可以经受小损坏，所述小损坏不触发安全系统，因此在小损坏发生后，燃气涡轮操作基本上以与之前的方式相同的方式继续。例如，这样的小损坏可以包括涡轮叶片5或压缩机的一部分的飞离，或燃烧室中的密封件的破坏等。即使这样的损坏不使燃气涡轮故障，它们也开始退化过程，所述退化过程通常随时间使燃气涡轮故障。在图1中，参考6指示由于飞离的一块叶片所引起的压缩机转子叶片5的小损坏。

燃气涡轮有利地提供有计算机实现监测系统，所述计算机实现监测系统能够检测这样的小损坏，所述小损坏不使燃气涡轮跳闸，然而无论如何都引起它的操作的不规则。因此，除控制系统和安全系统以外，监测系统还被提供以及可以利用与控制系统和/或安全系统相同或不同的电路系统实现。

特别地，计算机实现监测系统能够检测燃气涡轮的操作中的小的不规则，然而安全系统可以检测大的不规则（例如当完整叶片飞离，从而毁坏后面的压缩机或涡轮级和/或壳体或燃烧室中的组件由于逆燃而燃烧等时产生）。

计算机实现监测系统包括：第一传感器10，其用来测量一个或多个控制参数；以及第二传感器11，其用来测量燃气涡轮的一个或多个操作参数。

根据需要，控制参数和操作参数可以是不同的。通常，控制参数指示燃气涡轮的操作条件，并且操作参数指示确定燃气涡轮的操作的边界条件（boundary condition）。

控制参数包括作为示例的压缩机2的出口处的压力和/或燃烧室3的出口处的压力和/或压缩机2的出口处的温度和/或燃烧室3的出口处的温度和/或火焰温度和/或燃气涡轮输出功率等。

操作参数包括作为示例的VIGV位置（VIGV位置指示通过燃气涡轮的质量空气流）和/或环境湿度和/或环境温度和/或燃气涡轮输出功率等。

自然地，对同一个（one and the same）机器，控制参数和操作参数是不相同的，然而针对不同的机器，它们可以根据需要来选择；例如，输出功率可以选择为控制参数或选择为操作参数。

计算机实现监测系统还包括阐释单元（elaborating unit）15，所述阐释单元15连接到存储器12。阐释单元布置用于运行用于执行本发明的方法的程序代码，以及存储器12布置用于存储由第一传感器10和第二传感器11所测量的数据和阐释单元15的计算的结果。

在优选的实施例中，一台计算机或其他电子装置限定阐释单元15以及存储器12。

阐释单元15依次连接到输出装置16，其布置成使阐释的结果可用。输出装置可以是任何类型的已知的机器-人接口，例如监测器、打印机等。

方法

用于监测机器的操作的方法包括提供将一个或多个控制参数链接到一个或多个操作参数的一个或多个函数。

在第一示例中，至少函数是多项式函数，以及控制参数和操作参数经由一个或多个系数链接。在这种情况下，函数可以通常定义为：

其中：

-CP是通用的控制参数，

-OP1、OP2、OP3是操作参数，

-a、b、c、d、e、f…是将操作参数链接到控制参数的系数。

通常，针对m个控制参数和n个操作参数的一般数量，函数可以采用矩阵的形式表达为

其中：

-a1，1-am，n是将操作参数OP1-OPn链接到控制参数CP1-CPm的系数，

-OP1-OPn是操作参数，

-CP1-CPm是控制参数。

系数可以由操作机器、测量控制参数和操作参数以及选择适当的系数来限定，使得操作参数通过函数的方式提供控制参数。

多项式函数的特定示例可以是下式

其中：

-操作参数是：指示VIGV位置（即，开口）的VIGV；指示环境温度的ET；

-控制参数是：指示压缩机出口处的空气压力的PCO；指示压缩机出口处的空气温度的TCO；指示燃烧室的出口处的热气（hot gas）温度的TOCC；指示涡轮的出口处的热气压力的POT。

多项式函数能够有利地代表任何机器或机器组合。

备选地，函数可以经由诸如燃气涡轮之类的机器的模拟软件定义。如所已知的，燃气涡轮（或通常的机器组合或机器）的操作可以由专用软件模拟（在线或离线），所述专用软件基于输入信号提供采用燃气涡轮的状态参数、压缩空气和/或流经燃气涡轮的热气的形式的输出。

本发明的监测方法可以利用这种软件以及可以向模拟软件提供作为输入信号的操作参数以获得作为输出信号的控制参数。

模拟软件能够有利地在操作的整个范围（spectrum）内再现机器行为，以及也可以跟随（follow）控制参数的可能“正常”的急剧变化（即，对应于机器的正常操作，使得这些急剧变化被预期），然而利用其他函数，这可能是不可能的。

在经由模拟软件（优选地经由调整系数）定义函数的情况下，函数可以写为：

其中

-Tf1…Tfn：是考虑由模型所计算的数据与真实数据之间不匹配的可能性的调整系数；理想地，这些系数等于1并且因此模型完美地再现燃气涡轮行为；

-f（OP1…OPn）：代表模型，即，函数f（）（作为模型）接收作为输入的操作参数OP1…OPn以及提供作为输出的控制参数CP1…CPm；

-OP1…OPn：是作为输入向模型提供的操作参数；

-CP1…CPm是控制参数。

还在这种情况下，如同在多项式函数的情况下，系数可以通过操作机器、测量操作参数和控制参数、提供操作参数以作为到模型f（）的输入以计算控制参数以及选择适当的系数来限定，使得由模型f（）所计算的控制参数与所测量的控制参数匹配（即，等于）。

模型的使用相对于多项式函数的使用具有一些优势，例如它提供模型的验证，因为如果调整系数是等于1的常数，模型完美地再现燃气涡轮行为；另外通常，管理使用模型的方法的调整系数比使用多项式函数的方法的系数更简单，因为调整系数理想地是1（即，它们在理想情况下提前已知）。

一旦定义函数，燃气涡轮可以被操作，并且根据监测方法，在燃气涡轮正操作的同时测量控制参数和操作参数。

基于所测量的操作参数，因此通过函数的方式计算控制参数。

已经以这种方法所计算的控制参数是在燃气涡轮的“规则”操作的情况下（即，在燃气涡轮操作无影响操作的小损坏的情况下）被预期的控制参数，所述小损坏的量太小以至于不能由安全系统检测，然而在长期操作中潜在地具有巨大影响。

为了监测可能影响机器的小损坏，即使小损坏没有使安全系统介入，所测量的控制参数也与所计算的控制参数（即，使用函数所计算的控制参数）比较，以及当所测量的控制参数和所计算的控制参数不匹配时生成警报。

当（i）所测量的控制参数与所计算的控制参数之间的差在给定的阈值之下和/或（ii）在给定的时间间隔内，所测量的控制参数与所计算的控制参数的轨迹（curses）互相不交叉时，确定所测量的控制参数与所计算的控制参数的匹配。

在方法的不同示例中，标准中的任何标准或两种标准可以用于判断所测量的控制参数与所计算的控制参数是否匹配。例如，标准（i）可以用于确保所测量的控制参数与所计算的控制参数没有太大量的不同；标准（ii）可以用于检查所测量的控制参数跟随，即，再现所计算的控制参数的轨迹，即使在标准（i）和（ii）的每个的大余量的情况下，标准（i）和（ii）也可以共同用于检查正确操作，以避免非预期的错误警报，然而同时确保出故障的检测。

拟合时间窗口可以被定义，并且基于已经通过拟合时间窗口所测量的操作参数和控制参数，调整将控制参数与操作参数链接的系数，使得系数总是可以基于操作参数正确地再现控制参数。

有利地，拟合时间窗口可以随时间在时间上移位，使得函数连续地或周期性地调整，因此可以考虑由于通常老化所引起的耗损，避免生成不当的警报。

在不同的实施例中，拟合时间窗口可以随时间连续地或周期性地向前移位；方法可以在这种情况下实时实现，以执行燃气涡轮的实时监督。

方法还可以包括（图2）定义操作时间窗口OTW，所述操作时间窗口OTW在时间上移位在拟合时间窗口FTW之后；以及在整个操作时间窗口OTW内使用已经结合给定的拟合时间窗口FTW调整的函数。

例如，拟合时间窗口FTW可以具有一周的长度，并且可以周期性地在时间上每周向前移位一周（shifted forwards each week of one week），使得拟合时间窗口FTW发生在依次也可以具有一周长度的操作时间窗口之前的所述周。

在不同的示例中，拟合时间窗口FTW可以连续地向前移位；在这个示例中，拟合时间窗口可以具有在实际方法实现的时间之前168小时开始的一周的长度。

另外，在操作时间窗口OTW和拟合时间窗口FTW之间，黑时间窗口（black timewindow）BTW可以被提供。在这个黑时间窗口BTW期间，控制参数和操作参数不被取样或在它们被取样的情况下，不使用它们。这可以例如将拟合时间窗口与操作时间窗口分离，因此防止将在控制参数和操作参数的测量中的变化与由于机器老化或信号噪声所引起的测量变化相混淆。

另外，还可以定义在时间上更长或更短的拟合时间窗口。因此，更长和更短的控制参数可以如上面指示的那样基于更长或更短的拟合时间窗口计算。

在这种情况下，更长的拟合时间窗口适时（timely）从实际操作时间去除，以及更短的拟合时间窗口适时更接近于实际操作时间。

作为示例，更长的拟合时间窗口可以在实际操作时间之前一周预见；另外，更长的拟合时间窗口可以随时间根据实际操作时间移动或在燃气涡轮通过更长的操作时间窗口正操作的同时，拟合时间窗口可以保持恒定；在这种情况下，更长的拟合时间窗口的开始或结束可以适时是在更长的操作时间窗口开始之前的一周。

同样，更短的拟合时间窗口可以在实际操作时间之前的一小时预见；另外，更短的拟合时间窗口可以随时间根据实际操作时间移动或在燃气涡轮通过更短的操作时间窗口正操作的同时，拟合时间窗口可以保持恒定；在这种情况下，更短的拟合时间窗口的开始和结束可以适时是在更短的操作时间窗口开始之前的一小时。

接近于实际操作时间的更长的拟合时间窗口的使用使模型能够在不同的操作条件下（例如部分载荷、全载荷等）正确地预见燃气涡轮操作（以及因此基于输入操作参数计算控制参数）。

更短的拟合时间窗口的使用使机器的实际操作被利用最近拟合的模型（例如部分载荷或全载荷或其他模型）监测。因此，利用更短的拟合时间窗口，甚至在小信号步的情况下，燃气涡轮操作的突然变化可以由于非常好的拟合模型被监测，因为它在短时间窗口中调整以及接近于实际操作时间，因此它精准地再现燃气涡轮的操作。

更长拟合时间窗口和更短的拟合时间窗口两者的使用使由于燃气涡轮操作（例如从全载荷到部分载荷）所引起的变化发生，这可以使来自具有短拟合时间窗口的模型的偏差被识别为来自具有长拟合时间窗口的模型的正常操作。因此，错误的警报可以被避免。

所测量的控制参数因此与所计算的更长和更短的控制参数比较，以及当（i）所计算的更长和更短的控制参数集中的至少一个未与所测量的控制参数匹配，或（ii）所计算的更长和更短的控制参数集两者都未与所测量的控制参数匹配时，生成警报。

方法基于所记录的数据（即在过去所收集的数据）或在操作的燃气涡轮上连续测量的数据（方法的实时实现）有利地实现。

本发明的方法特别地有利，因为它提供可靠的结果，然而在计算上不被需要。

另外，方法需要待实现的小的数据量，以及有利地，小的数据量指机器的正确操作，并不是指其故障，因此收集这样的数据是简单和快速的，甚至在小机器队（machinefleet）的情况下或还在一台单个机器的情况下也是如此。

自然地，所描述的特征可以互相独立地提供。实际上，所使用的材料以及尺寸可以根据需要以及根据现有技术任意选择。

Claims (15)

1.一种用于监测机器的操作的方法，包括：

a.提供将至少一个控制参数链接到至少一个操作参数的至少函数；

b.操作所述机器，并且在所述机器正操作的同时，测量所述至少一个控制参数和所述至少一个操作参数；

c.基于至少一个所测量的操作参数，通过所述至少函数的方式计算所述至少一个控制参数；

d.将至少一个所测量的控制参数与至少一个所计算的控制参数比较，并且当它们不匹配时，生成警报；

e.定义拟合时间窗口；

f.基于通过所述拟合时间窗口测量的所述至少所测量的操作参数和至少所测量的控制参数调整所述至少函数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于重复步骤b到步骤f。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于当下列时确定所述至少一个所测量的控制参数与至少一个所计算的控制参数的匹配：

-在所述至少一个所测量的控制参数与所述至少一个所计算的控制参数之间的差在给定的阈值之下；和/或

-在给定的时间间隔内，所述至少一个所测量的控制参数和至少一个所计算的控制参数的轨迹互相不交叉。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于：

-定义操作时间窗口，所述操作时间窗口在时间上移位在所述拟合时间窗口之后；以及

-在整个操作时间窗口内使用基于给定的拟合时间窗口所调整的一个或多个函数。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于在所述操作时间窗口与所述拟合时间窗口之间，提供黑时间窗口，其中在所述黑时间窗口期间所述至少一个控制参数以及至少一个操作参数不被取样或在它们被取样的情况下不使用它们。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于：

-定义在时间上更长和更短的拟合时间窗口，

-基于所述更长和更短的拟合时间窗口计算至少一个更长和更短的控制参数；

-将所述至少一个所测量的控制参数与所述至少一个所计算的更长和更短的控制参数比较；

-当所述至少一个所计算的更长和更短的控制参数中的至少一个与所述至少一个所测量的控制参数不匹配时生成警报。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于当所述至少一个所计算的更长和更短的控制参数两者都与所述至少一个所测量的控制参数不匹配时，生成所述警报。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于所述方法在所述机器的实时操作期间实现。

9.根据权利要求1到8中的任一项所述的方法，其特征在于将所述至少一个控制参数链接到至少一个操作参数的所述至少函数是多项式函数。

10.根据权利要求1到8中的任一项所述的方法，其特征在于所述至少函数经由所述机器的模拟软件定义，优选地经由调节系数定义。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于所述机器是燃气涡轮或发电机或蒸汽轮机或用于电功率生成的发电站。

12.一种计算机程序，所述计算机程序具有程序代码，所述程序代码当被执行时用于执行根据权利要求1到11中的任一项所述的方法。

13.一种计算机实现系统，所述计算机实现系统用于监测机器（1）的操作，包括：

-至少第一传感器（10），其用来测量所述机器（1）的至少控制参数；

-至少第二传感器（11），其用来测量所述机器的至少操作参数；

-存储器（12），所述存储器（12）布置成存储由所述第一传感器（10）和所述第二传感器（11）所测量的数据；

-阐释单元（15），所述阐释单元（15）连接到所述存储器（12），并且布置用于从所述存储器（12）接收数据，所述阐释单元具有用于实现权利要求1到11中的任一项所述的方法的在其上运行的代码。

14.权利要求13所述的计算机实现系统，其特征在于一个电子装置限定所述阐释单元（15）以及所述存储器（12）。

15.权利要求13到14中的任一项所述的计算机实现系统，其特征在于所述机器是燃气涡轮或发电机或蒸汽轮机或用于电功率生成的发电站。

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