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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Wesentlichen eine Ventilanordnung
und insbesondere ein Verfahren und ein System zum Überwachen
einer in einer Dampfturbine eingesetzten Ventilanordnung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine
Dampfturbine wandelt die kinetische oder thermische Energie von
unter Druck stehendem Dampf in mechanische Nutzenergie um. Im Wesentlichen
wird Dampf in einem Dampfgenerator- oder Kessel erzeugt, und tritt
dann durch Absperr- und Steuerventile hindurch in Düsen ein,
welche eine Rotoranordnung antreiben. Die Rotoranordnung kann dann
wiederum einen Generator antreiben, um elektrische Energie zu erzeugen.
Absperrventile und Steuerventile steuern den Betrieb einer Dampfturbine
durch die Steuerung des Dampfeinstroms in die Düsen. Ein Steuerventil steuert
typischerweise den Dampfeintritt in die Düsen während normaler Betriebszustände. Ein
Absperrventil wird typischerweise während des normalen Betriebs
offen gehalten und geschlossen, wenn eine Schnellabschaltung erforderlich
ist. In einigen Anwendungen sind das Steuerventil und das Absperrventil
in einer einzigen Einheit zusammengefasst.
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Bei
verschiedenen Betriebszuständen
können
Strömungseigenschaften
in den und um die Ventilanordnungen einer Dampfturbine herum Instabilitäten bewirken,
die zu einer Schwingungen führen
können.
Eine zu starke Schwingung ist unerwünscht, und kann zu einer Komponentenermüdung und
zu einem vorzeitigen Ausfall der Ventilanordnungen führen. Es ist
bekannt, dass im Einsatz befindliche Ventilanordnungen während des
Betriebs Schwingungseigenschaften zeigen, die aus einer Schwingung
der Ventilanordnungen selbst entstehen, sowie aus der Strömung in
den und um die Ventilanordnungen, was oft als strukturelle Schwingung
bzw. akustische Schwingung bezeichnet wird. Die Ventilanordnungen
können
durch die einzelnen Schwingungseffekte sowie durch die Wechselwirkung
zwischen den strukturellen und akustischen Frequenzen und modalen
Formen beeinträchtigt
werden.
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Die
derzeitige Lösung
zum Korrigieren von Schwingungsfrequenzwechselwirkung besteht in
der Auslegung der Ventilanordnungen, die vorhersagbar eine ausreichende
Trennung zwischen ihren strukturellen und akustischen Eigenschaften
erreichen. Da jedoch die Anzahl von Anwendungen, in welchen Ventilanordnungen
eingesetzt werden können,
zunimmt, werden deren Betriebsbedingungen weniger vorhersagbar.
Ferner ist der Bedarf an Ventilanordnungen zunehmend, was deren
Betrieb unter raueren, stärker
variierenden Bedingungen bewirkt. Demzufolge wird die Bereitstellung
einer ausreichenden Trennung zwischen strukturellen und akustischen Schwingungseigenschaften
zunehmen schwieriger, wodurch das vollständige Verständnis der auf die Ventilanordnungen
ausgeübten
Verformungen und damit der durchgemachten Ermüdung verhindert wird.
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Es
besteht daher ein Wunsch nach einem besseren Verständnis der
Schwingungseigenschaften von in Dampfturbinen eingesetzten Ventilanordnungen.
Ferner sollte man bevorzugt ein Verständnis der Schwingungseigenschaften
der Ventilanordnungen während
verschiedener Betriebszustände
zur Anwendung im Vergleich mit Schwingungseigenschaften von Ventilanordnungen
im Einsatz zu gewinnen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Anwendung stellt somit Vorrichtungen und Verfahren zur Überwachung
von Dampfturbinenventilanordnungen bereit. In einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Überwachen
von Ventilanordnungen bereitgestellt. Zuerst können die Schwingungseigenschaften
wenigstens einer Ventilanordnung vor dem Betrieb gemessen werden.
Anschließend
kann das Verhalten dieser Ventilanordnung während des Betriebs der Ventilanordnung überwacht
werden, und dann mit den vor dem Betrieb ermittelten Schwingungseigenschaften
verglichen werden. Ein Vergleich des während des Betriebs beobachteten
Verhaltens der Ventilanordnung mit den vor dem Betrieb gemessenen
Eigenschaften der Ventilanordnung kann eine Abschätzung der
durch die Ventilanordnung während
des Betriebs durchgemachten Verformungspegel ermöglichen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann ein System zum Überwachen
von Dampfturbinenventilanordnungen bereitgestellt werden. Das System
kann wenigstens einen mit wenigstens einer Ventilanordnung verbundenen
Eigenschaftenanalysator enthalten, wobei der Eigenschaftenanalysator
oder die Eigenschaftenanalysatoren dafür programmiert sein können, die
Schwingungseigenschaften der Ventilanordnung vor dem Betrieb zu
messen und die Schwingungseigenschaften in einem Speicher zu speichern. Wenigstens
eine Überwachungsvorrichtung
kann mit der Ventilanordnung zur Überwachung des Verhaltens der
Ventilanordnung während
des Betriebs verbunden sein. Wenigstens eine Steuereinheit kann
mit der Überwachungsvorrichtung
oder Überwachungsvorrichtungen
verbunden sein, wobei die Steuereinheit dafür programmiert ist: ein überwachtes
Verhalten der Ventilanordnung aus der Überwachungsvorrichtung zu empfangen,
die Schwingungseigenschaften aus dem Speicher auszulesen, das während des Betriebs
beobachtete Verhalten mit den vor dem Betrieb gemessenen Schwingungseigenschaften
zu vergleichen, und von der Ventilanordnung während des Betriebs durchgemachte
Verformungspegel auf der Basis des Vergleichs des Verhaltens während des
Betriebs mit den Schwingungseigenschaften vor dem Betrieb zu schätzen.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
wird ein Verfahren zum Überwachen
wenigstens einer in einer Dampfturbine eingesetzten Ventilanordnung bereitgestellt.
Zuerst können
die Grundeigenschaften der Ventilanordnung unter mehreren Betriebsbedingungen
vor dem Betrieb gemessen werden. Die Messung der Grundeigenschaften
kann umfassen: Messen der Eigenschwingungsfrequenzen des akustischen
Raums und der Struktur der Ventilanordnung, Ermitteln der Schwingungsdruckverteilungen
und Schwingungsdruckamplituden, die auf die Ventilanordnung bei
wenigstens einer von den Eigenschwingungsfrequenzen ausgeübt werden,
Durchführen
einer Zwangsresonanz-Analyse an der Ventilanordnung, wobei die Zwangsresonanz-Analyse
eine Betrachtung der Schwingungsdruckverteilung und der Schwingungsdruckamplitude
beinhalten kann. Das Verhalten der Ventilanordnung kann während des Betriebs überwacht
werden, wobei das Verhalten die Schwingungsfrequenzen der Ventilanordnung,
die Schwingungsamplituden der Ventilanordnung, den Ventilhub der
Ventilanordnung, Dampfdrücke
und Dampftemperaturen umfassen kann. Dann kann das Verhalten während des
Betriebs der Ventilanordnung mit den Grundeigenschaften der Ventilanordnung verglichen
werden. Dieses Verfahren kann eine Vorhersage einer restlichen Nutzungslebensdauer
der Ventilanordnung auf der Basis des Vergleichs des Verhaltens
während
des Betriebs mit den Grundeigenschaften ermöglichen.
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Diese
und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden für einen
Fachmann auf diesem Gebiet nach Durchsicht der nachstehenden detaillierten
Beschreibung in Verbindung mit den verschiedenen Zeichnungen und
den beigefügten
Ansprüchen
ersichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Blockdarstellung des Systems zur Überwachung von Ventilanordnungen.
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2 ist
eine Blockdarstellung eines computerisierten Überwachungssystems, das von
dem System von 1 genutzt wird.
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3 ist
ein exemplarisches Flussdiagramm, das die durch das System von 1 implementierte
Logik darstellt.
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4 ist
ein exemplarisches Flussdiagramm, das die durch das System von 1 implementierte
Logik darstellt.
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5 ist
ein exemplarisches Flussdiagramm, das die durch das System von 1 implementierte
Logik darstellt.
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6 ist
eine Teilquerschnittsdarstellung einer exemplarischen Ventilanordnung
von 1.
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7 ist
ein exemplarisches Ergebnis aus dem System von 1.
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8 ist
ein exemplarisches Ergebnis aus dem System von 2.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Anmeldung wird nun hierin nachstehend vollständiger unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in welchen einige, jedoch nicht alle Ausführungsformen dargestellt
sind. Tatsächlich
kann der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung in vielen unterschiedlichen
Formen verkörpert
sein und sollte nicht auf die hierin dargestellten Ausführungsformen
als beschränkt
betrachtet werden; stattdessen werden diese Ausführungsformen so zur Verfügung gestellt, dass
diese Offenbarung den zutreffenden gesetzlichen Anforderungen genügt. Gleiche
Bezugszeichen bezeichnen durchgängig
gleiche Elemente.
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Die
vorliegende Anmeldung bezieht sich auf Blockdarstellungen von Systemen,
Verfahren, Vorrichtungen und Computerprogrammprodukte gemäß wenigstens
einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
Es dürfte
sich verstehen, dass jeder Block von den Blockdarstellungen bzw.
Kombinationen von Blöcken
in den Blockdarstellungen wenigstens teilweise durch Computerprogramminstruktionen
implementiert werden können.
Diese Computerprogramminstruktionen können in einen allgemeinen Computer, speziellen
Computer, einen speziellen Hardware-basierenden Computer oder eine
andere programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung geladen werden,
um eine Maschine dergestalt zu erzeugen, dass die Instruktionen,
welche auf dem Computer oder anderen programmierbaren Datenverarbeitungsvorrichtung
ausgeführt
werden, eine Einrichtung zur Implementation der Funktionalität jedes
Blockes der Blockdarstellungen oder Kombinationen der Blöcke, die
im Detail in den nachstehenden Beschreibungen diskutiert werden,
erzeugen.
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Diese
Computerprogramminstruktionen können
auch in einem computerlesbaren Speicher gespeichert sein, der einen
Computer oder andere programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtungen
anweisen kann, in einer speziellen Weise so zu funktionieren, dass
die in den computerlesbaren Speicher gespeicherten Instruktionen
einen Herstellungsgegenstand mit Instruktionsmitteln erzeugen, welche die
in dem Block oder den Blöcken
spezifizierte Funktion implementieren. Die Computerprogramminstruktionen
können
auch in einen Computer oder eine andere programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung
geladen werden, um die Durchführung
einer Reihe von Betriebsschritten auf dem Computer oder der anderen
programmierbaren Vorrichtung zu bewirken, um einen computerimplementierten
Prozess dergestalt zu erzeugen, dass die Instruktionen, die auf
dem Computer oder der anderen programmierbaren Vorrichtung ablaufen,
Schritte zur Implementation der in dem Block oder den Blöcken spezifizierten Funktionen
bereitstellen.
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Die
hierin beschriebenen Systeme und Verfahren können durch ein auf einem Betriebssystem eines
Computers ablaufenden Anwendungsprogramm implementiert werden. Sie
können
auch mit anderen Computersystemkonfigurationen einschließ lich Handgeräten, Multiprozessorsystemen, Mikroprozessor-basierender oder
programmierbarer Consumer-Elektronik, Minicomputern, Grosscomputern,
usw. ausgeführt
werden.
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Anwendungsprogramme,
die Komponenten der hierin beschriebenen Systeme und Verfahren sind,
können
Routinen, Programme, Komponenten, Datenstrukturen usw. enthalten,
die bestimmte abstrakte Datentypen implementieren und bestimmte Aufgaben
oder Aktionen durchführen.
In einer verteilten Computerumgebung kann sich das Anwendungsprogramm
(insgesamt oder teilweise) in einem lokalen Speicher oder in einer
anderen Aufbewahrungseinrichtung befinden. Zusätzlich oder alternativ kann sich
das Anwendungsprogramm (insgesamt oder teilweise) in einem entfernt
angeordneten Speicher oder einem Lagerungsplatz befinden, um Umstände zuzulassen,
in welchen Aufgaben durch Fernverarbeitungsvorrichtungen durchgeführt werden,
die über ein
Kommunikationsnetzwerk verbunden sind. Exemplarische Ausführungsformen
werden hierin nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben,
in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente durchgängig durch
die verschiedenen Zeichnungen bezeichnen.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Einfluss von Ermüdung, und
insbesondere hochzyklischer Ermüdung,
auf die Dampfturbinenventilanordnungen ermittelt werden. Diese Systeme
und Verfahren können
dazu genutzt werden, Grundeigenschaften der Schwingungseffekte auf
einer Ventilanordnungsstruktur und in dem zugehörigen akustischen Raum zu ermitteln.
Die Grundeigenschaften können
für einen
Vergleich mit beobachtetem Verhalten verwendet werden, das von den Ventilanordnungen
während
des Betriebs gezeigt wird. Demzufolge ermöglicht die Kombination des Verständ nisses
der Grundeigenschaften und des von den Ventilanordnungen während des
Betriebs gezeigten Verhaltens dem System, besser die Betreiber bezüglich der
auf die Ventilanordnungen ausgeübten Verformungen
zu informieren, und somit den Verschleiß und die geschätzte Zeitdauer
bis zum Ausfall der Ventilanordnungen abzuschätzen.
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1 stellt
mittels einer Blockdarstellung eine Dampfturbine 100 in
einem Dampfturbinensystem dar. Dampf kann in die Dampfturbine 100 mittels eines
oder mehrerer Dampfeinlässe 120 eintreten, welche
mit einer Ventilanordnung 110 verbunden sind, die den Eintritt
und das Volumen des in eine oder mehrere Rotoranordnungen 140 eintretenden Dampfes über einen
oder mehrere Dampfauslässe 130 steuert.
Die Ventilanordnung 110 kann ein Steuerventil und ein Absperrventil
in einer einzigen Anordnung enthalten. Alternativ können sich
das Steuerventil und das Absperrventil in getrennten Anordnungen
befinden. Die Ventilanordnung 110 steuert den Dampfstrom.
Wenn die Ventilanordnung 110 offen ist, kann der Dampf
durch die Rotoranordnung 140 strömen. Alternativ wird, wenn
die Ventilanordnung 110 geschlossen ist, der Dampf daran
gehindert, durch die Rotoranordnung 140 zu strömen. Man
wird erkennen, dass die Dampfturbine 100 mehr als eine
von den hierin beschriebenen Komponenten enthalten kann. Beispielsweise
können
mehrere Ventilanordnungen 110 so konfiguriert sein, dass
sie in Reihe oder parallel zueinander arbeiten und/oder so konfiguriert
sein, dass sie in einer Vollbogen- oder Teilbogenzuführung arbeiten.
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Eine
oder mehrere Überwachungsvorrichtungen 150 können mit
der Ventilanordnung 110 zusammengefasst sein, um die Überwachung
von verschiedenen Parametern der Ventilanord nung 110 zu ermöglichen.
Beispielsweise kann eine von den Überwachungsvorrichtungen 150 ein
zum Messen von Schwingungseigenschaften der Ventilanordnung 110,
wie z. B. Amplitude und Frequenz, verwendeter Beschleunigungsmesser
sein. Ein weiteres Beispiel von einer der Überwachungsvorrichtungen 150 kann ein
Dehnungsmesser oder ein dynamische Dehnungsmesser sein, die zum
Messen der durch die Ventilanordnung 110 bewirkten Verformung
verwendet wird. Ferner können
weitere Beispiele von durch die Überwachungsvorrichtungen 150 überwachten Parametern
Dampfdruck, Dampftemperatur, Ventilhub, Auslenkung, Verformung,
Beschleunigung oder Betriebszeit umfassen. Es dürfte für den Fachmann auf diesem Gebiet
erkennbar sein, dass weitere Betriebsparameter der Dampfturbine 100 neben
den hierin erwähnten
durch die Überwachungsvorrichtungen 150 überwacht
werden können.
Die die 3 und 5 begleitenden
Beschreibungen stellen weitere Details bezüglich des Betriebs der Steuereinheit 170 und
der Überwachungsvorrichtungen 150 zu Verfügung. Eine
oder mehrere Laufzeit-Steuereinheiten 170 können Prozessmessdaten
aus den Überwachungsvorrichtungen 150 empfangen,
speichern und verarbeiten. Eine oder mehrere Eigenschaftenanalysatoren 160 können verwendet
werden, Eigenschaften der Ventilanordnung 110 vor deren
Inbetriebnahme zu erhalten. Beispielsweise kann der Eigenschaftenanalysator 160 die
Fähigkeiten
zur Durchführung von
Finite-Elemente-Analysen, einer nicht stationären numerischen Strömungssimulation
sowie weiterer Feld- oder Labortests wie im Fachgebiet bekannt durchführen. Die
die 3 und 4 begleitenden Beschreibungen
stellen ferner Details bezüglich
des Betriebs des Eigenschaftenanalysators 160 zur Verfügung. Schließlich können die
Steuereinheit 170 und der Eigenschaftenanalysator 160 auf
einem oder mehreren computerisierten Überwachungssystemen 190 laufen.
Die zu 2 gehörige
Beschrei bung stellt weitere Details bezüglich des Betriebs des computerisierten Überwachungssystems 190 zur
Verfügung.
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2 zeigt
eine Blockdarstellung des computerisierten Überwachungssystems 190,
das zur Eigenschaftenermittlung und Überwachung der Ventilanordnungen 110 gemäß einer
veranschaulichenden Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Insbesondere können die
Elemente des computerisierten Überwachungssystems 190 dazu
genutzt werden, die Funktionen der Steuereinheit 170 und
des Eigenschaftenanalysators 160 auszuführen. Das computerisierte Überwachungssystem 190 kann
einen Speicher 210 enthalten, der programmierte Logik 220 speichert
(z. B. Software) und der Messdaten 230 speichern kann.
Der Speicher 210 kann auch ein Betriebssystem 240 enthalten.
Ein Prozessor 250 kann das Betriebssystem 240 nutzen, um
die programmierte Logik 220 auszuführen, und kann dabei auch die
Messdaten 230 nutzen. Ein Datenbus 260 kann eine
Kommunikation zwischen dem Speicher 210 und dem Prozessor 250 bereitstellen. Benutzer
können
mit dem computerisierten Überwachungssystem 190 über eine
Benutzerschnittstellenvorrichtung(en) (270), wie z. B.
eine Tastatur, Maus, Steuerfeld oder irgendwelche andere Vorrichtungen, die
in der Lage sind, Daten an das und aus dem computerisierten Überwachungssystem 190 zu übertragen,
in Verbindung treten. Beispielsweise kann die Benutzerschnittstellenvorrichtung 270 dem
Benutzer ein Signal anzeigen, dass ein Schwellenwert-Schwingungspegel
während
des Betriebs der Dampfturbine 100 überschritten worden ist. Die
Benutzerschnittstellenvorrichtung kann dem Benutzer auch die geschätzte verbrauchte
Lebenszeit oder restliche Lebenszeit der Ventilanordnung 110 anzeigen.
Das computerisierte Überwachungssystem 190 kann
mit der Dampfturbine 100 in Verbindung stehen, sowie über eine
I/O-Schnittstelle 280 mit den Ventilanordnungen 110 vor
deren Einbau in die Turbine 100. Insbesondere können ein
oder mehrere computerisierte Überwachungssysteme 190 die
Aufgabe der Steuereinheit 170, wie z. B. die Überwachung
der Ventilanordnung 110 mittels der Überwachungsvorrichtung oder
-vorrichtungen 150 durchführen. Ferner können ein
oder mehrere computerisierte Überwachungssysteme 190 auch
die Aufgabe des Eigenschaftenanalysators 160 vor dem Betrieb
der Dampfturbine 100 durchführen. Zusätzlich dürfte erkennbar sein, dass weitere
externe Vorrichtungen, wie z. B. die Rotoranordnung 140 oder
mehrere andere Dampfturbinen 100, mit dem computerisierten
Monitorüberwachungssystem 190 über die
I/O-Schnittstelle 280 in Verbindung stehen können. In
der dargestellten Ausführungsform
kann das computerisierte Überwachungssystem 190 in
Bezug auf die Dampfturbine 100 entfernt angeordnet sein,
obwohl es zusammen damit an demselben Ort angeordnet sein oder sogar
in die Dampfturbine 100 integriert sein kann. Ferner können das
computerisierte Überwachungssystem 190 und
die dadurch implementierte Logik 220 Software, Hardware,
Firmware oder eine beliebige Kombination davon aufweisen. Es dürfte außerdem erkennbar
sein, dass mehrere computerisierte Überwachungssysteme 190 verwendet
werden können,
wodurch unterschiedliche hierin beschriebene Merkmale auf einem
oder mehreren unterschiedlichen computerisierten Überwachungssystemen 190 ausgeführt werden
können.
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3–5 sind
exemplarische Flussdiagramme, welche die Verfahren darstellen, mittels welchen
eine Ausführungsform
der vorliegenden Anmeldung arbeiten kann. 3 ist ein
exemplarisches Flussdiagramm des Basisbetriebs des Eigenschaftenanalysators 160 und
der Steuereinheit 170, die zum Ermitteln der Grundeigenschaften
und dem Betriebsverhalten der Ventilanordnung 110 gemäß einer veranschauli chenden
Ausführungsform
der vorliegenden Anmeldung verwendet werden. Bei dem Block 310 kann
der Eigenschaftenanalysator 160 die Grundliniencharakteristiken
der Ventilanordnung 110 bei einem oder mehreren Betriebszuständen ermitteln.
Die durch die Eigenschaftenanalysator 160 analysierten
Betriebszustände
können
beispielsweise ein Kaltstart, Heißstart, Warmstart, Lastübergang und
eine Abschaltung sein.
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Wie
es vorstehend beschrieben wurde, dürfte erkennbar sein, dass der
Eigenschaftenanalysator 160 auf einem oder mehreren computerisierten Überwachungssystemen 190 ablaufen
kann und eines oder mehrere Programmmodule enthalten kann, die als
die programmierte Logik 220 in dem Speicher 210 gespeichert
sind. Diese Programmmodule können während der
Analyse bei dem Block 310 verwendet werden, wie z. B. Programmmodule,
die in der Lage sind, eine Finite-Elemente-Analyse, eine nicht stationäre numerische
Strömungssimulation
("unsteady CFD") oder andere im
Fachgebiet bekannte Labor- oder Feldtests durchzuführen. Der
durch den Eigenschaftenanalysator 160 implementierte Betrieb
und die Verfahren werden vollständiger
in der die 4 begleitenden Beschreibung
dargestellt.
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Nachdem
die Grundeigenschaften ermittelt worden sind, kann die Ventilanordnung 110 während des
Betriebs der Dampfturbine 100, wie durch den Block 320 dargestellt, überwacht
werden, indem eine oder mehrere Überwachungsvorrichtungen 150 in Verbindung
mit der Steuereinheit 170 gemäß Beschreibung unter Bezugnahme
auf 1 verwendet werden. Der durch die Steuereinheit 170 implementierte
Betrieb und die Verfahren werden vollständiger in der die 5 begleitenden
Beschreibung dargestellt.
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Bei
dem Block 330 kann das von der Steuereinheit 170 gemessene
Betriebsverhalten mit den durch den Eigenschaftenanalysator 310 ermittelten Grundeigenschaften
verglichen werden, um die auf die Ventilanordnung 110 während des
Betriebs ausgeübten
Belastungen zu identifizieren. Insbesondere ermöglichen das Betriebsverhalten,
wie z. B. die bei dem Block 320 gemessenen Beschleunigungs-
und Frequenzdaten und der durch die Grundeigenschaften bei dem Block 310 identifizierte
akustische Stimulus über
numerische Algorithmen die Vorhersage der Betriebsschwingungsamplituden
und somit der Belastungen, welchen die Ventilanordnung 110 während des
Betriebs ausgesetzt war.
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Schließlich kann
gemäß Darstellung
im Block 340 das Verständnis
der möglichen
Auswirkungen auf die Ventilanordnung 110 den Betreibern
ermöglichen,
die unerwünschten
Effekte hochzyklischer Ermüdung
vorherzusagen. Insbesondere können
die bei dem Block 330 abgeschätzten Betriebsbelastungen dann
analysiert werden, um die verbrauchte Lebensdauer der Ventilanordnung 110 während des
aufgezeichneten Betriebs zu berechnen. Die verbrauchte Betriebslebensdauer
kann unter Anwendung der Miner's
Rule oder anderer Belastungsvorhersagetechniken, wie z. B. Wahrscheinlichkeitsverteilungen,
wie z. B. logarithmische Verteilungen, Weibull-Verteilungen oder andere im Fachgebiet üblicherweise
bekannte berechnet werden. Die verbrauchte Betriebslebensdauer kann
dann in dem Speicher 210 zwecks späterer Bezugnahme und für den Betrieb
gespeichert werden. Ferner können
die Berechnungsergebnisse der verbrauchten Betriebslebensdauer kumulativ
aufaddiert werden, um zu einer Messung der gesamten verbrauchten
Lebensdauer zu gelangen, sowie um die restliche mögliche Betriebslebensdauer
der Ventilanordnung 110 abzuschätzen. Die bei dem Block 340 durchgeführten Ermittlungen
können
in Echtzeit, Quasi-Echtzeit oder können primär auf der Basis historischer
Daten durchgeführt
werden.
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1 ist
ein exemplarisches Flussdiagramm der Schritte, welche durch den
Eigenschaftenanalysator 160 durchgeführt werden können, um
die Grundeigenschaften der Ventilanordnung 110 bei einem
oder mehreren Betriebszuständen
gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Anmeldung zu ermitteln. Die Grundeigenschaften
können
vor dem Betrieb typischerweise in einem Prüfstandtest oder in einer Laborumgebung
ermittelt werden, obwohl Feldtests oder dergleichen, wie sie im
Fachgebiet bekannt sind, dazu genutzt werden können, die in 4 beschriebenen
Eigenschaften zu ermitteln. Ferner können die Grundeigenschaften
für die
nachstehenden Betriebszustände:
Kaltstart, Heißstart,
Warmstart, Lastübergang
und Abschaltung, jedoch nicht darauf beschränkt, ermittelt werden. Ungeachtet
dieser Betriebszustandsbeispiele wird man erkennen, dass die hierin
beschriebenen Systeme und Verfahren keine Messung des gesamten Spektrums
der Betriebszustände
zum Erzielen ausreichender Grundmessungen erfordern. Zusätzlich wird
man erkennen, dass nicht jede von den unter Bezugnahme auf 4 beschriebenen
Messungen durchgeführt
werden muss, um zu einem ausreichenden Verständnis der Grundeigenschaften
zu gelangen, und daher ein Teilsatz der beschriebenen Messungen
ausreicht, um ein Grundverständnis
zu gewinnen.
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Bei
dem Block 410 können
die Eigenschwingungsfrequenzen des akustischen Raums der Ventilanordnung 110 für einen
oder mehrere Betriebszustände
gemessen werden. Der akustische Raum kann am besten durch den Innenhohlraum
der Ven tilanordnung 110 definiert werden, durch welchen
der Dampf während
des Betriebs hindurchtritt. Insbesondere können die Eigenschwingungsfrequenzen
des akustischen Raums unter Anwendung einer validierten numerischen
Analyse ermittelt werden. Diese umfasst typischerweise die Durchführung beispielsweise
einer Finite-Elemente-Analyse, wobei die Geometrie des akustischen
Raums modelliert und die akustischen Frequenzen und normierten Druckverteilungen
unter Verwendung kommerziell erhältlicher Werkzeuge
für eine
Finite-Elemente-Analyse
ermittelt werden. Das Ziel dieses Schrittes ist das genauere Verständnis der
Frequenzen des das Steuerventil innerhalb der Ventilanordnung 110 umgebenden akustischen
Raums. Ferner wird man erkennen, dass mehrere weitere numerische
Verfahren, wie z. B. die Randelementmethode, tatsächlich experimentelle
Messtechniken, wie z. B. das Einsetzen von Mikrofonen in den Raum
oder dergleichen, wie es im Fachgebiet bekannt ist, zum Erreichen
dieses Ziels eingesetzt werden können.
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Demzufolge
können
die möglichen
strukturellen Moden, die erregt werden können, bis zu einer bestimmten
Frequenz von beispielsweise 10 kHz vorhergesagt werden.
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Bei
dem Block 420 können
die Eigenschwingungsfrequenzen der Struktur der Ventilanordnung 110 bei
einem oder mehreren Betriebszuständen
ermittelt werden. Die Eigenschwingungsfrequenzen können unter
Anwendung von Messeinrichtungen ähnlich
der Überwachungsvorrichtung 150,
wie z. B. einen Beschleunigungsmesser gemessen werden. Die Messung
sowohl der akustischen Eigenschaften als auch der Struktureigenschaften
erlaubt eine Identifikation einer möglichen Akustik/Struktur-Schwingungswechselwirkung,
welche erheblich die von der Ventilanordnung 110 durchgemachten
Belastungen beeinflussen kann und zur Unterstützung bei der Vorhersage der
restlichen Dauer dienen kann.
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Gemäß Darstellung
im Block 430 können
die Amplitude und Verteilung des auf den akustischen Raum und die
Struktur der Ventilanordnung 110 ausgeübten Druckes ermittelt werden.
Beispielsweise können
nicht stationäre
CFD-Analysen oder weitere Labortests oder Feldtests, wie im Fachgebiet
bekannt, dazu eingesetzt werden, die Druckverteilung und relativen
Amplituden im Block 430 zu identifizieren. Die nachstehend
detaillierter diskutierte 7 stellt
ein exemplarisches Ergebnis einer an der Ventilanordnung 110 bei
einem spezifischen Frequenzmodus und Betriebszustand durchgeführten nicht stationären CFD-Analyse
dar.
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Die
bei dem Block 430 ermittelte Druckverteilung und die Amplituden
können
dann als Eingangsgrößen für die bei
dem Block 440 beschriebenen Zwangsresonanz-Analyse zur
Verfügung
gestellt werden. Eine Zwangsresonanz-Analyse kann eine Finite-Elemente-Analyseprozedur
sein, wodurch die Belastungsantwort an Punkten der Ventilanordnung 110 für verschiedene
Betriebsfrequenzen ermittelt werden kann. Die nachstehend detaillierter
diskutierte 8 veranschaulicht ein exemplarisches
Ergebnis einer Zwangsresonanz-Analyse
für Messstellen auf
der Ventilanordnung 110. Die bei dem Block 440 ermittelten
Belastungsantwortamplituden können
für den
Vergleich mit dem bei dem Block 320 von 3 gemessenen
und vollständiger
in der vorstehenden Diskussion der Blöcke 330 und 340 von 3 diskutierten
Betriebsverhalten der Ventilanordnung 110 verwendet werden.
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Gemäß Darstellung
bei dem Block 435 kann wenigstens eine Größe von Auslenkung,
Verformung und Beschleunigung der Ventilanordnung 110 optional
vor dem Betrieb gemessen werden, um eine weitere Eigenschaft des
Grundbetriebs der Ventilanordnung 110 zu gewinnen. Die
Verformung kann unter Verwendung einer Überwachungsvorrichtung 150, wie
z. B. eines Dehnmessstreifens, eines dynamischen Dehnmessstreifens
oder dergleichen, wie es im Fachgebiet bekannt ist, gemessen werden.
Die Beschleunigung kann unter Verwendung einer Überwachungsvorrichtung 150,
wie z. B. eines Beschleunigungsmessers oder dergleichen, wie es
im Fachgebiet bekannt ist, gemessen werden. Die Auslenkung kann
unter Verwendung einer Kombination von aus einem Dehnmessstreifen
und einem Beschleunigungsmesser, aus einem dynamischen Dehnmessstreifen
oder dergleichen erfassten Messwerten, wie es im Fachgebiet bekannt
ist, gewonnen werden. Man wird erkennen, dass die Erfassung dieser
Messwerte bei diesem Schritt optional und nicht erforderlich ist,
um den in dieser Anmeldung offenbarten Erfindungsgegenstand auszuführen.
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5 ist
ein exemplarisches Flussdiagramm der Schritte, welche durch die
Steuereinheit 170 unternommen werden können, um die Ventilanordnung 110 während des
Betriebs der Dampfturbine 100 zu überwachen. Bei dem Block 510 können die
Schwingungsfrequenz und die relative Amplitude der Ventilanordnung 110 während des
Betriebs überwacht werden.
Insbesondere können
eine oder mehrerer Überwachungsvorrichtungen 150,
wie z. B. ein Beschleunigungsmesser oder dergleichen, wie sie allgemein
im Fachgebiet bekannt sind, an der Ventilanordnung 110 angebracht
werden und in Verbindung mit der Steuereinheit 170 stehen.
Die Steuereinheit 170 kann Software enthalten, die durch
die Überwachungsvorrichtungen 150 zur
Verfügung
gestellte Signale liest, und die Signale in Schwingungsfrequenzen
und relative Amplituden umsetzt. Bei dem Block 520 können Dampfdruckpegel
in der Umgebung der Ventilanordnung 110 unter Verwendung
einer Druckmesseinrichtung, wie sie im Fachgebiet bekannt ist, überwacht
werden. Bei dem Block 530 können Dampftemperaturpegel in
der Umgebung der Ventilanordnung 110 unter Verwendung einer
Temperaturmesseinrichtung, wie sie im Fachgebiet bekannt ist, überwacht
werden. Der Ventilhub der Ventilanordnung 110 kann durch
einen Linearverstellungs-Messwandler oder mittels beliebiger anderer
Verfahren, die im Fachgebiet bekannt sind, wie es bei dem Block 540 beschrieben
wird, gemessen werden.
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Alle
von den vorstehenden Zuständen
können
gemessen und wie bei dem Block 550 beschrieben, über der
Zeit verfolgt werden. Die Verfolgung dieser Zustände über der Zeit liefert ein vollständigeres
Bild darüber,
wie lange die Ventilanordnung 110 den verschiedenen Bedingungen
unterworfen war. Ferner ermöglicht
die Verfolgung der Betriebsbedingungen der Ventilanordnung 110 über der
Zeit eine Abschätzung
der verbrauchten Lebensdauer der Einrichtung, wie es bei dem Block 340 in 3 beschrieben
ist. Es dürfte
erkennbar sein, dass die vorstehend beschriebenen Bedingungen nur
für exemplarische
Zwecke dienen, und dass es für
einen Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich ist, dass andere
Bedingungen gemessen und in die Analyse des Betriebsverhaltens der
Ventilanordnung 110 einbezogen werden können. Beispielsweise kann gemäß Darstellung
bei dem Block 545 wenigstens ein Wert von Belastung, Verformung
und Auslenkung optional während
des Betriebs für
einen anschließenden
Vergleich mit den optional bei dem Block 435 in 4 gemessenen
Grundmesswerten überwacht
werden.
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6 stellt
ein veranschaulichendes Beispiel der Ventilanordnung 110 dar,
die während
der praktischen Ausfüh rung
der hierin beschriebenen vorliegenden Verfahren und Systeme überwacht
werden kann. Der akustische Raum 610 identifiziert den Innenhohlraum
der Ventilanordnung 110. In dieser exemplarischen Ventilanordnung
sind ein Steuerventil 620 und ein Absperrventil 630 zu
einer einzigen Einheit zusammengefasst. Während des Betriebs kann das
Steuerventil 620 offen gehalten werden, um somit einen
Strom von dem Dampfeinlass 120 durch einen ringförmigen Sieb 650,
durch den akustischen Raum 610 zu dem Dampfauslass 130 zu
ermöglichen.
Die Strömungsraten
können
durch den Abstand des Unterteils des Steuerventils 620 zu
dem Ventilsitz 640 gesteuert werden, wodurch das Aufsitzen
des Steuerventils 620 auf dem Ventilsitz den Strom unterbricht.
Ferner kann zum sofortigen Anhalten des Stroms das Absperrventil 630 rasch
auf dem Ventilsitz 640 abgesetzt werden. Die Wechselwirkung
zwischen den Schwingungseigenschaften des akustischen Raums 610 und
der Ventilanordnung 110, welche das Steuerventil 620 und
das Absperrventil 630 umfasst, kann das Gesamtverhalten
der Ventilanordnung 110 beeinflussen. Die Überwachungsvorrichtung 150,
wie z. B. ein Beschleunigungsmesser, kann beispielsweise auf dem
Ventilschaft des Steuerventils 620 angeordnet sein, um das
Betriebsverhalten des Steuerventils zu überwachen. In ähnlicher
Weise kann, obwohl es nicht dargestellt ist, eine Überwachungsvorrichtung 150 auf dem
Ventilschaft des Absperrventils 630 angeordnet sein, um
dessen Betriebsverhalten zu überwachen.
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7 stellt
ein veranschaulichendes Beispiel einer normierten Druckverteilung
dar, wie sie während
einer nicht stationären
CFD-Analyse beispielsweise bei dem Block 430 von 4 ermittelt werden
kann. Ein akustisches Raummodell 700 wird für eine exemplarische
Ventilanordnungen 110 zur Verfügung gestellt. Das grafische
Ergebnis einer nicht stationären
CFD-Analyse stellt einen Gradienten von normierten Druckverteilungen
dar, welche von einem negativen normierten Druck 710 zu
einem positiven normierten Druck 720 verlaufen. Die auf dem
akustischen Raummodell 700 dargestellten schattierten Bereiche
repräsentieren
unterschiedliche normierte Druckverteilungsgradienten mit relativen
Werten, die niedriger als der durch den positiven normierten Druck 720 repräsentierte
größte Druck und
höher als
der durch den negativen normierten Druck 710 repräsentierte
niedrigste Druck sind.
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8 stellt
ein Veranschaulichungsbeispiel der Ergebnisse der Zwangsresonanzanalyse
dar, die im Block 440 von 4 ausgeführt werden
kann, um die Belastung zu modellieren, die auf die Ventilanordnung 110 ausgeübt wird.
Ein exemplarischer akustischer Raum 610 und eine Ventilanordnung 110 sind mit
Messstellen – einer
ersten Stelle 820, einer zweiten Stelle 830 und
einer dritten Stelle 840 – dargestellt, für welche
die Druckantwort gemessen werden kann. Das Ergebnis 800 der
Zwangsresonanzanalyse stellt grafisch die Hauptbelastung in "kilopound per square
inch" auf der y-Achse
und der Erregungsfrequenz in Hertz auf der x-Achse dar. Das exemplarische
Ergebnis wird durch ein erstes Ergebnis 850, ein zweite
Ergebnis 860 und ein drittes Ergebnis 870 dargestellt,
welche der Belastung entsprechen, die auf die Ventilanordnung 110 an
den ersten, zweiten und dritten Stellen 820, 830, 840 über den
Frequenzen zwischen 1000 Hertz und 2000 Hertz ausgeübt wird.
Man erkennt, dass der akustische Raum, die Stellen, für welche
die Verformung dargestellt ist, und die Frequenzen, über welchen
die Verformung gemessen wird und die Werte der Belastung, die in
dem Analyseergebnis 800 dargestellt sind, nur für Bei spielszwecke
dienen und sich abhängig
von dem Aufbau und den Anwendungen der Ventilanordnung unterscheiden
können.
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Es
dürfte
ersichtlich sein, dass Vorstehendes nur die bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Anmeldung betrifft, und dass zahlreiche Änderungen
und Modifikationen hierin durch einen Fachmann auf diesem Gebiet
ohne Abweichung von dem allgemeinen Erfindungsgedanken und dem durch
die nachfolgenden Ansprüche
und deren Äquivalente definierten
Schutzumfang ausgeführt
werden können.
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Die
vorliegende Anmeldung stellt Vorrichtungen und Verfahren zum Überwachen
von Ventilanordnungen 110 einer Dampfturbine 100 bereit.
In einer Ausführungsform
der vorliegenden Anmeldung wird ein Verfahren zur Überwachung
von Ventilanordnungen 110 bereitgestellt. Zuerst können die Schwingungseigenschaften
wenigstens einer Ventilanordnung 110 vor ihrem Betrieb
gemessen werden. Anschließend
kann das Verhalten dieser Ventilanordnung 110 während des
Betriebs der Ventilanordnung 110 überwacht und dann mit den vor
dem Betrieb ermittelten Schwingungseigenschaften verglichen werden.
Der Vergleich des während
des Betriebs überwachten
Verhaltens der Ventilanordnung 110 mit den vor ihrem Betrieb
gemessenen Eigenschaften der Ventilanordnung 110 kann eine
Schätzung
der von der Ventilanordnung 110 während des Betriebs durchgemachten
Verformungspegel ermöglichen.