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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die hier dargestellten Ausführungen beziehen sich grundsätzlich auf Gasturbinen und im Speziellen auf die onlinebasierte Zustandsüberwachung von Gasturbinenverdichtern.
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Gasturbinen werden weitestgehend in Anwendungen eingesetzt, in welchen eine hohe Leistungsabgabe bei geringem Gewicht benötigt wird. Axialgasturbinen werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt wie beispielsweise Hilfsgeneratoren, Industriekraftwerken, Antriebsmotoren und so weiter. Die Axialgasturbine beinhaltet typischerweise einen Mehrstufenverdichter, eine Verbrennungskammer und eine einstufige oder mehrstufige Turbine.
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Jede Stufe des Mehrstufenverdichters umfasst eine Reihe von Rotorschaufeln gefolgt von einer Reihe von Leitschaufeln. Das Arbeitsmittel fließt durch variable Eintrittsleitschaufeln in die erste Stufe des Verdichters. Der Winkel der Eintrittsleitschaufeln steuert den Fluss des Arbeitsmittels mithilfe der Rotationsgeschwindigkeit der Rotoren, um die Entwurfsleistung der Gasturbine zu verbessern. In jeder Stufe beschleunigen die Rotorschaufeln das Arbeitsmittel weiter. Das Arbeitsmittel verlangsamt sich schließlich während des Durchlaufs der Leitschaufel, wo die kinetische Energie des Arbeitsmittels in statischen Druck umgewandelt wird. Das benötigte Gesamtdruckverhältnis wird durch die Einbeziehung der erforderlichen Anzahl an Verdichterstufen erreicht. Der Prozess der Umwandlung der kinetischen Energie in statischen Druck unterwirft die Rotorschaufeln sowie die Leitschaufeln Spannungszyklen. Die Spannungszyklen verursachen Ermüdungserscheinungen in den Rotorschaufeln und den Leitschaufeln. Die Ermüdungserscheinungen können zu einem Bruch und einer anschließenden Ablösung der Rotorschaufeln und der Leitschaufeln führen. Eine solche Ablösung führt normalerweise zu einem kompletten Ausfall des Verdichters.
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Einige der bekannten Verfahren zur Ermittlung von Schäden an Verdichterschaufeln beruhen auf regelmäßigen Inspektionen der Verdichterschaufeln. Die Beobachtungen dieser regelmäßigen Inspektionen werden dann zur Durchführung komplexer Simulationen verwendet, um einen Ausfall der Verdichterschaufeln vorhersagen zu können. Jedoch verlangen diese Verfahren üblicherweise ein Abschalten der Gasturbine für die Inspektion. Des Weiteren können präzise Simulationen hohe Berechnungsleistungen bedingen und berücksichtigen möglicherweise keine Veränderungen der Betriebsbedingungen. Einige weitere bekannte Verfahren beruhen auf Schwingungsmessungen zur Ermittlung ungewöhnlicher Schwingungen. Auf der Messung von Schwingungen basierende Verfahren leiden allerdings unter einer hohen Zahl an Fehlalarmen.
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DE 10 2008 021 102 A1 offenbart ein Verfahren zur Überwachung des Wirkungsgrades eines mehrstufigen Verdichters bei der Verdichtung eines Prozessmediums, bei dem ein Leistungsfaktor anhand von Parametern ermittelt wird, zu denen ein Mengenstrom durch den Verdichter, ein Eintrittsdruck und eine Eintrittstemperatur des angesaugten Prozessmediums, ein Austrittsdruck und eine Austrittstemperatur des verdichteten Prozessmediums, eine Stufeneintrittstemperatur und ein Stufeneintrittsdruck am Eingang jeder Stufe gehören.
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US 2004 / 0 018 096 A1 offenbart ein Verfahren und System zum Erfassen einer Leistungsverschlechterung eines Verdichters unter Verwendung eines Datensatzes, der Verdichterbetriebsparameter zueinander in Beziehung setzt, mit Mitteln zum Erfassen von Echtzeit-Istwerten der Verdichterbetriebsparameter, einschließlich eines bewerteten Betriebsparameters, z.B. der Verdichterauslasstemperatur, Mitteln zum Vorhersagen eines Wertes für den bewerteten Betriebsparameter anhand mindestens eines der Echtzeit-Istwerte und des Datensatzes und Mitteln zum Vergleichen des vorhergesagten Wertes des bewerteten Betriebsparameters mit dem Echtzeit-Istwert, um daraus eine Prognose der Verdichterleistung abzugeben. Wenn der vorhergesagte Wert des bewerteten Betriebsparameters von dem Echtzeit-Istwert um mehr als ein zulässiges Toleranzband abweicht, wird ein Warnsignal über eine Leistungsverschlechterung des Verdichters ausgegeben.
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US 5 546 015 A offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen eines Fehlers in einem motorgetriebenen Verdichtersystem, das einen Verdichter und einen Motor zum Antreiben des Verdichters aufweist. Das Verfahren umfasst die Schritte: Erfassen eines Fluidmassenstroms im Zusammenhang mit dem Verdichter, Erfassen eines Verdichtungsverhältnisses des Verdichters, Generieren eines variablen oberen oder unteren Stromreferenzwertes als Reaktion auf wenigstens eines von dem Fluidmassenstrom und dem Verdichtungsverhältnis, wodurch die variablen oberen und unteren Stromreferenzwerte auf variable Betriebsbedingungen des Verdichters ansprechen, und Feststellen eines Fehlers in dem Verdichtersystem, wenn der Motorstromwert über dem variablen oberen oder unter dem variablen unteren Stromreferenzwert liegt.
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Demzufolge besteht weiterhin ein Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung, welche eine präzise onlinebasierte Ermittlung eines beginnenden Ausfalls der Verdichterschaufeln zur Verfügung stellen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren für die Zustandsüberwachung von Verdichtern bereitgestellt, das die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist. Das Verfahren beinhaltet den Empfang einer Vielzahl von Datenpunkten der Turbine, wobei jeder der Turbinendatenpunkte einen oder mehrere Betriebsparameter enthält sowie mindestens einen Betriebsparameter mit Angaben zur Verdichterauslasstemperatur und einen oder mehr Leistungsparameter. Das Verfahren beinhaltet, basierend auf dem einen oder mehr Leistungsparametern, weiterhin eine Kategorisierung der Turbinendatenpunkte in eine Vielzahl von Gruppen und für jede dieser Gruppen die Berechnung der statistischen Streuung der Messwerte zu mindestens einer Angabe zur Verdichterauslasstemperatur sowie zu dem einen oder mehr Leistungsparametern und weiterhin die Auslösung eines Alarmindikators, basierend auf der mindestens einen statistischen Streuung des Messwertes.
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Das Verfahren kann ebenso einen Schritt der Kombination der Verdichterauslasstemperatur und des einen oder mehr Leistungsparameter beinhalten sowie die Auslösung des Alarmindikators, basierend auf den kombinierten Parametern. In einer Ausführung können ein oder mehr Schwingungsparameter, die Verdichterauslasstemperatur und der eine oder mehr Leistungsparameter kombiniert werden, um den kombinierten Parameter zu erhalten. Der Alarmindikator kann auf dem kombinierten Parameter basierend erzeugt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Zustandsüberwachung von Verdichtern bereitgestellt, die die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruchs 6 aufweist.
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Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogramm mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 8 bereitgestellt.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Blockdiagramm einer Umgebung, in welcher Ausführungen einer Vorrichtung zur Zustandsüberwachung von Verdichtern betrieben werden können;
- 2 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Zustandsüberwachung von Verdichtern in Übereinstimmung mit einer Ausführung;
- 3 ist ein Flussdiagramm, welches basierend auf der Verdichterauslasstemperatur und in Übereinstimmung mit einer Ausführung einen beispielhaften Prozess der Verdichterprognose veranschaulicht;
- 4 ist ein Flussdiagramm, welches einen beispielhaften Prozess der Verdichterprognose veranschaulicht, basierend auf den Leistungsparametern der Gasturbine und in Übereinstimmung mit einer Ausführung; und
- 5 ist ein Flussdiagramm, welches in Übereinstimmung mit einer Ausführung unter Verwendung einer Fusionsverfahrens einen beispielhaften Prozess der Verdichterprognose veranschaulicht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGEN
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Die hier dargestellten Ausführungen zeigen ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Zustandsüberwachung des Verdichters einer Gasturbine. 1 ist ein Blockdiagramm einer Umgebung, in welcher Ausführungen einer Vorrichtung für die Zustandsüberwachung von Verdichtern betrieben werden können. Die Umgebung beinhaltet eine Gasturbine 102, eine Sensorsystem für Gasturbinen 104 und eine Vorrichtung zur Zustandsüberwachung von Verdichtern 106.
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Die Gasturbine 102 enthält üblicherweise einen Verdichterkomplex, eine Brennkammer, ein oder mehrere Einlass-/Ablassventile und einen Rotor. Die Gasturbine 102 saugt durch einen Verdichtereinlass Außenluft an. Der Verdichterkomplex kann einen Mehrstufenverdichter enthalten. Jede Stufe des Mehrstufenverdichters enthält eine Reihe von Rotorschaufeln gefolgt von einer Reihe Leitschaufeln. Das Arbeitsmittel fließt durch variable Eintrittsschaufeln in die erste Stufe des Verdichters. Der Winkel der Eintrittsschaufeln steuert den Fluss des Arbeitsmittels mithilfe der Rotationsgeschwindigkeit der Rotoren, um die Entwurfsleistung der Gasturbine zu verbessern. In jeder Stufe beschleunigen die Rotorschaufeln das Arbeitsmittel weiter. Das Arbeitsmittel verlangsamt sich schließlich während des Durchlaufs der Leitschaufeln, wo die kinetische Energie des Arbeitsmittels in statischen Druck umgewandelt wird. Das benötigte Gesamtdruckverhältnis wird durch die Einbeziehung der erforderlichen Anzahl an Verdichterstufen erreicht. Die unter Druck gesetzte Luft wird dann in die Brennkammer geleitet. In der Brennkammer wird die verdichtete Luft mit einem geeigneten Brennstoff gemischt und entzündet. Das Verbrennen des Brennstoffs resultiert in einem Abbau hohen Drucks, welcher den Rotor der Turbine antreibt. Der Turbinenrotor kann eine angekoppelte mechanische Last antreiben. Alternativ kann das Hochdruckabgas abgelassen werden, um eine Axialbewegung zu erzeugen. Die Entlüftungsventile führen, sofern sie aktiviert sind, einen Teil der Verdichterabluft direkt in den Auslass der Gasturbine ab. Die Entlüftungsventile sind nur während der Beschleunigung der Gasturbine 102, wie beispielsweise während des Anfahrens, und während des Abbremsens der Gasturbine 102, wie beispielsweise während des Abschaltens, aktiviert. Die Entlüftungsventile schützen den Verdichter vor einem Blockieren oder dem Entstehen von Überdruck. Die Ablassventile können pneumatisch oder elektromechanisch aktiviert werden.
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Das Sensorsystem für Gasturbinen 104 kann Sensoren zur Überwachung verschiedener Betriebsparameter der Gasturbine 102 enthalten. Das Sensorsystem für Gasturbinen 104 kann Sensoren zur Überwachung von Betriebsparametern wie beispielsweise die Turbinenbeanspruchung, die Verdichtereinlasstemperatur, den Zapfluft-Einlasserwärmungsstatus, das Druckverhältnis im Verdichter und dergleichen enthalten, ist aber nicht auf diese beschränkt. Die Verdichtereinlasstemperatur kann an einer oder mehreren peripheren Positionen an der Verdichtereinlassöffnung gemessen werden. Das Sensorsystem für Gasturbinen 104 kann weiterhin Sensoren zur Überwachung von Leistungsparametern der Gasturbine 102 enthalten, wie beispielsweise des Turbinenleistungsvermögens, des Turbineneinlassstroms, der Turbinenleistung, der Abgastemperatur und dergleichen, ist jedoch nicht auf diese beschränkt. Das Sensorsystem für Gasturbinen 104 kann weiterhin Sensoren für die Überwachung der Verdichterauslasstemperatur enthalten. Die Verdichterauslasstemperatur kann an einer oder mehreren peripheren Positionen an einem Auslass des Verdichters gemessen werden. Das Sensorsystem für Gasturbinen 104 kann außerdem Sensoren für die Messung eines oder mehrerer mit dem Betrieb der Gasturbine verbundener Schwingungsparameter enthalten. Die Schwingungsparameter können den Ausschlag der Schwingung und die Frequenz der Schwingung beinhalten. Die Schwingungsparameter können an verschiedenen Positionen auf dem Verdichter kontrolliert werden.
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Das Sensorsystem für Gasturbinen 104 leitet die beobachteten Parameter zur Feststellung des Zustands der Verdichterstufen an die Vorrichtung zur Zustandsüberwachung von Verdichtern 106 weiter.
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2 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Zustandsüberwachung von Verdichtern 106 in Übereinstimmung mit einer Ausführung. Die Vorrichtung zur Zustandsüberwachung von Verdichtern 106 kann eine Vielzahl an Datenpunkten der Turbine empfangen. Die Datenpunkte der Turbine können einen oder mehrere Betriebsparameter der Turbine, einen oder mehrere an verschiedenen peripheren Positionen des Verdichterauslasses gemessene Verdichterauslasstemperaturen sowie einen oder mehrere Leistungsparameter und dergleichen enthalten.
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Die Vorrichtung zur Zustandsüberwachung von Verdichtern 106 kann ein Empfangsmodul 202 für das Empfangen der Vielzahl von Turbinendatenpunkten vom Sensorsystem für Gasturbinen 104 enthalten. Die Gasturbine kann die Vielzahl von Turbinendatenpunkten über eine drahtgebundene oder eine drahtlose Verbindung versenden.
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Die Vorrichtung zur Zustandsüberwachung von Verdichtern 106 kann desweiteren ein Kategorisierungsmodul 204 für die eingehenden Daten umfassen. Das Kategorisierungsmodul 204 kategorisiert die Vielzahl von Turbinendatenpunkten in eine Vielzahl von auf den Betriebsparametern basierenden Gruppen. Der Großteil der Turbinendatenpunkte kann über eine gewisse Zeitspanne eingeholt werden. Während dieser Zeitspanne können sich die Betriebsparameter der Turbine verändert haben. Daher kann es von Vorteil sein, die Vielzahl von erhaltenen Turbinendatenpunkten in die Vielzahl von Gruppen zu kategorisieren, wobei sich jede der Gruppen auf einen bestimmten Betriebszustand bezieht. Auf diese Weise sind die Schwankungen der Verdichterauslasstemperaturen und Leistungsparameter innerhalb einer Gruppe unabhängig von dem Betriebszustand der Gasturbine 102.
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Zum Beispiel kann der Großteil der Turbinendatenpunkte in zwei Gruppen kategorisiert werden, die auf dem Ablasserwärmungsstatus der Gasturbine 102 basieren. Die erste Gruppe kann dabei die Turbinendatenpunkte enthalten, die eingeholt werden wenn Ablasserwärmung abgeschaltet wurde und die zweite Gruppe kann jene Turbinendatenpunkte enthalten, welche eingeholt werden, wenn Ablasserwärmung eingeschaltet wurde. Diese zwei Gruppen können wiederum in zwei weitere Gruppen unterteilt werden, die auf Abweichungen der Schwankungen in der Verdichtereinlasstemperatur basieren, welche an zwei oder mehr peripheren Positionen am Verdichtereinlass gemessen werden. Zum Beispiel können die Turbinendatenpunkte, die empfangen werden, wenn die Abweichung der Verdichtereinlasstemperatur über einem Grenzwert liegt, in eine Gruppe kategorisiert und die Turbinendatenpunkte, die empfangen werden, wenn die Verdichtereinlasstemperatur unterhalb eines Grenzwertes liegt, in eine andere Gruppe kategorisiert werden. Eine ähnliche Kategorisierung kann auf dem Verdichterdruckverhältnis basierend erfolgen.
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Das Kategorisierungsmodul 204 kann die Turbinendatenpunkte basierend auf einer Kombination von Betriebsparametern in Gruppen kategorisieren. Zum Beispiel kann eine Gruppe nur aus den Turbinendatenpunkten bestehen, die gewonnen werden, wenn Zapfwärme eingeschaltet ist, die Abweichung der Verdichtereinlasstemperatur höher als ein zugehöriger Grenzwert ist und das Verdichterdruckverhältnis höher als ein bestimmter Grenzwert ist. Angenommen, der Grenzwert für das Verdichterdruckverhältnis liegt bei 13. Eine solche Klassifizierung der Turbinendatenpunkte in Gruppen dient dem Zwecke der Darstellung und die Turbinendatenpunkte können ebenso basierend auf anderen Betriebsparametern oder anderen Kombinationen von Betriebsparametern kategorisiert werden. Des Weiteren können die Grenzwerte für die Betriebsparameter ebenfalls variabel bestimmt werden.
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Die Vorrichtung zur Zustandsüberwachung von Verdichtern 106 kann weiterhin ein Variabilitätsmodul 206 enthalten. Das Variabilitätsmodul 206 berechnet für jede der Gruppen eine statistische Variabilitätsgröße für mindestens eine der Verdichterauslasstemperaturen und für einen oder mehr Leistungsparameter.
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Das Variabilitätsmodul 206 kann ein Basisvariabilitätsmodul beinhalten. Das Basisvariabilitätsmodul kann eine Basisvariabilitätsgröße der Verdichterauslasstemperatur sowie für einen oder mehrere Leistungsparameter berechnen. Die Basisvariabilitätsgröße kann für jede der Gruppen in einem ersten Zeitfenster berechnet werden. Je nach Ausführung kann das erste Zeitfenster 3 - 12 Stunden umfassen, beispielsweise 6 Stunden.
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Die Basisvariabilitätsgröße kann einen Mittelwert der Abweichungen der an verschiedenen peripheren Positionen des Verdichterauslasses gemessenen Verdichterauslasstemperaturen enthalten. Die statistische Basisvariabilitätsgröße kann den Mittelwert eines oder mehrerer Leistungsparameter einschließen. Alternativ kann die statistische Basisvariabilitätsgröße einen Halbwert oder eine Standardabweichung der Abweichungen der Verdichterauslasstemperaturen beinhalten. Die Basisvariabilitätsgröße kann des Weiteren den Halbwert oder die Standardabweichung von innerhalb des ersten Zeitfensters erhaltenen Leistungsparametern einbeziehen.
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Das Variabilitätsmodul 206 kann außerdem ein Strömungsvariabilitätsmodul enthalten, um eine Strömungsvariabilitätsgröße der Abweichungen der Verdichterauslasstemperaturen und eines oder mehrerer Leistungsparameter zu berechnen. Die Strömungsvariabilitätsgröße kann für jede der Gruppen berechnet werden, in welche die Turbinendatenpunkte möglicherweise kategorisiert werden. Weiterhin kann die statistische Strömungsvariabilitätsgröße für innerhalb des zweiten Zeitfensters gewonnene Turbinendatenpunkte errechnet werde. Das zweite Zeitfenster kann kürzer sein als das erste Zeitfenster. Je nach Ausführung kann das zweite Zeitfenster eine Laufzeit von 15 Minuten oder 30 Minuten umfassen.
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Die Strömungsvariabilitätsgröße kann der Mittelwert der Abweichungen der Verdichterauslasstemperaturen der Turbinendatenpunkte sein, die innerhalb des zweiten Zeitfensters gewonnen wurden. Die Strömungsvariabilitätsgröße kann des Weiteren den Mittelwert eines oder mehrerer Leistungsparameter beinhalten. In einer Ausführung kann die Strömungsvariabilitätsgröße den Halbwert oder die Standardabweichung der Abweichungen der Verdichterauslasstemperaturen darstellen sowie eines oder mehrerer innerhalb des zweiten Zeitfensters gewonnener Leistungsparameter.
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Die Basisvariabilitätsgröße und die Strömungsvariabilitätsgröße können zur Erlangung einer Alarmanzeige angewendet werden. Ein Alarmmodul 208 kann den Alarmindikator erzeugen. Der Alarmindikator kann die Abweichung zwischen der Basisvariabilitätsgröße und der Strömungsvariabilitätsgröße sein. Zum Beispiel kann der Alarmindikator durch die Berechnung der Abweichung zwischen dem im ersten Zeitfenster gewonnenen Mittelwert der Verdichterauslasstemperatur und dem im zweiten Zeitfenster gewonnenen Mittelwert der Verdichterauslasstemperatur erstellt werden. In ähnlicher Weise kann der Alarmindikator durch die Berechnung der Abweichung des Mittelwertes der im ersten Zeitfenster gemessenen Leistungsparameter vom Mittelwert der innerhalb des zweiten Zeitfensters gemessenen Leistungsparameter erstellt werden. In einer Ausführung kann der Alarmindikator auch durch die Berechnung der Abweichung des Halbwertes oder der Standardabweichung der im ersten und zweiten Zeitfenster gemessenen Abweichnungen der Verdichterauslasstemperatur ausgelöst werden. In einer weiteren Ausführung kann der Alarmindikator durch die Berechnung der Abweichung des Halbwertes oder der Standardabweichung der im ersten beziehungsweise zweiten Zeitfenster gemessenen Leistungsparameter ausgelöst werden.
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Das Alarmmodul 208 kann den Alarmindikator mit einem Grenzwert abgleichen und den Alarm auslösen, sobald der Alarmindikator einen Grenzwert für einen längeren als zuvor festgelegten Zeitraum überschreitet. In einer Ausführung wird der Alarm ausgelöst, wenn der Alarmindikator den Grenzwert für mehr als 15 Minuten überschreitet. In anderen Ausführungen kann der Alarm ausgelöst werden, sobald der Alarmindikator den Grenzwert für einen Zeitraum von 10 - 60 Minuten überschreitet.
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Die Vorrichtung zur Zustandsüberwachung von Verdichtern 106 kann weiterhin ein ISO-Regulierungsmodul enthalten, um die Betriebsparameter, die Verdichterauslasstemperatur und die Leistungsparameter in ISO-Standardparameter zu regulieren. Die Umwandlung der Parameter in ISO-Standardparameter gewährleistet die Einsetzbarkeit und den Betrieb der Vorrichtung zur Zustandsüberwachung von Verdichtern 106 in jedweder Gasturbineneinheit, in beliebigem Umfeld. Die Einheiten und Bestandteile der Betriebsparameter, der Verdichterauslasstemperaturen und der Leistungsparameter können von der Messvorrichtung abhängig sein. Die Verdichterauslasstemperaturen können beispielsweise sowohl in Fahrenheit wie auch in Grad Celsius gemessen werden. Die regulierte Verdichterauslasstemperatur und die regulierten Leistungsparameter können verwendet werden, um die statistische Basisvariabilitätsgröße und die statistische Strömungsvariabilitätsgröße sowie anschließend den Alarmindikator zu erhalten. Die Regulierung der Parameter kann die Einsetzbarkeit der Vorrichtung, unabhängig von den Einheiten, in welchen die Parameter gemessen werden, erbringen.
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Die Vorrichtung zur Zustandsüberwachung von Verdichtern 106 kann des Weiteren ein Sensorfusionsmodul für die Verbindung der Verdichterauslasstemperaturen und eines oder mehrerer Leistungsparameter umfassen. Unter Fachleuten bekannte Algorithmen wie der Kalman-Filter-Algorithmus, der Bayes-Algorhitmus und der Dempster-Shafer-Algorithmus können angewendet werden, um die Betriebsparameter, die Verdichterauslasstemperaturen und die Leistungsparameter zu kombinieren. Die Kombination der Parameter kann einen zusammengefügten Gesamtparameter ergeben, der die Bestandteile aller Betriebsparameter, Verdichterauslasstemperaturen und Leistungsparameter umfasst. In einer Ausführung können die Gesamtparameter sowohl für das erste wie auch für das zweite Zeitfenster berechnet werden. Ferner können die Basisvariabilitätsgröße und die Strömungsvariabilitätsgröße auf dem Gesamtparameter basierend berechnet werden. Außerdem kann der Alarmindikator basierend auf der Abweichung der statistischen Basisvariabilitätsgröße und der statistischen Strömungsvariabilitätsgröße, entsprechend des Gesamtparameters, bestimmt werden.
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3 ist ein Flussdiagramm, das eine Verdichterprognose 300 darstellt, die in Übereinstimmung mit einer Ausführung auf den Verdichterauslasstemperaturen basiert. In Schritt 302 kann die Mehrzahl der Turbinendatenpunkte gewonnen werden. Wie in Zusammenhang mit 2 erwähnt, kann die Mehrheit der Turbinendatenpunkte einen oder mehrere Betriebsparameter umfassen, wobei die Betriebsparameter die Turbinenbeanspruchung, die Verdichtereinlasstemperatur, den Zapfwärmestatus und das Verdichterdruckverhältnis beinhalten. Die Mehrheit der Turbinendatenpunkte kann außerdem die an einer oder mehreren peripheren Positionen am Verdichterauslass gemessene Verdichterauslasstemperatur einschließen. Weiterhin kann die Mehrzahl der Turbinendatenpunkte einen oder mehrere Leistungsparameter umfassen, wobei die Leistungsparameter das Turbinenleistungsvermögen, den Turbinenvorlauf, die Turbinenleistung und die Abgastemperatur mit einschließen können.
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In Schritt 304 der Verdichterprognose 300 werden die Turbinendatenpunkte, basierend auf einem oder mehreren Betriebsparametern in mehrere Gruppen kategorisiert. Zum Beispiel kann die Mehrheit der Turbinendatenpunkte basierend auf dem Zapfluft-Einlasserwärmungsstatus der Gasturbine 102 in zwei Gruppen kategorisiert werden. Die erste Gruppe kann die Turbinendatenpunkte beinhalten, die erfasst wurden, als die Zapfwärme abgeschaltet war, die zweite Gruppe kann die Turbinendatenpunkte beinhalten, die erfasst wurden, als die Zapfwärme eingeschaltet war. Die oben genannten zwei Gruppen können weiter unterteilt werden in zwei Gruppen, die auf der an zwei peripheren Positionen am Verdichtereinlass gemessenen Abweichung der Verdichtereinlasstemperatur basieren. Zum Beispiel können die Turbinendatenpunkte, die gemessen werden, wenn die Abweichung der Verdichtereinlasstemperatur oberhalb eines Grenzwertes liegt, in eine Gruppe und die Turbinendatenpunkte, die gemessen werden, wenn die Abweichung der Verdichtereinlasstemperatur unterhalb eines Grenzwertes liegt, in eine andere Gruppe kategorisiert werden. Eine ähnliche Kategorisierung kann auf dem Verdichterdruckverhältnis basierend erfolgen.
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Fachleute mögen es begrüßen, dass die Kategorisierung der Turbinendatenpunkte in Gruppen gleichzeitig auf mehr als einem Betriebsparameter basieren kann. Zum Beispiel kann eine Gruppe nur aus den Turbinendatenpunkten bestehen, die eingeholt wurden, als die Zapfwärme eingeschaltet war, die Verdichtereinlasstemperatur oberhalb eines Grenzwertes und das Verdichterdruckverhältnis oberhalb eines weiteren Grenzwerts lag. In einer Ausführung könnte der Grenzwert für das Verdichterdruckverhältnis bei 13 liegen. Fachleute werden es zu schätzen wissen, dass die zuvor genannten Klassifikationen von Gruppen dem Zwecke der Darstellung dienen und die Turbinendatenpunkte basierend auf anderen Betriebsparametern oder anderen Kombinationen von Betriebsparametern kategorisiert werden können. Es mag auch begrüßt werden, dass die Grenzwerte für jeden Betriebsparameter ebenso dynamisch bestimmt werden können.
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In Schritt 306 der Verdichterprognose 300 kann eine statistische Variabilitätsgröße für die Verdichterauslasstemperatur berechnet werden. Die statistische Variabilitätsgröße kann für jede der Gruppen errechnet werden, in welche die Turbinendatenpunkte kategorisiert werden. In Schritt 306 können sowohl die Basisvariabilitätsgröße wie auch die Strömungsvariabilitätsgröße für die Abweichung der Verdichterauslasstemperatur berechnet werden. Wie in Zusammenhang mit 2 dargestellt, kann die Basisvariabilitätsgröße der Mittelwert, Halbwert oder die Standardabweichung der Diffenrenzen in den Verdichterauslasstemperaturen sein, die im ersten Zeitfenster gemessen wurden. In gleicher Weise kann die Strömungsvariabilitätsgröße der Mittelwert, Halbwert oder die Standardabweichung der Differenzen in den Verdichterauslasstemperaturen sein, die im zweiten Zeitfenster gemessen wurden.
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In Schritt 308 wird ein Alarmindikator erzeugt, der auf der Basisvariabilitätsgröße und der Strömungsvariabilitätsgröße basiert. In einer Ausführung kann der Alarmindikator die Abweichung der Basisvariabilitätsgröße und der Strömungsvariabilitätsgröße sein. Wenn der Alarmindikator einen Grenzwert für einen längeren als zuvor festgelegten maximalen Zeitraum überschreitet, wird der Alarm ausgelöst. In einer Ausführung wird der Alarm ausgelöst, wenn der Alarmindikator den Grenzwert für mehr als 15 Minuten überschreitet. Je nach Ausführung kann der Alarm ausgelöst werden, wenn der Alarmindikator den Grenzwert für einen Zeitraum von 10 - 60 Minuten überschreitet.
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Die Verdichterprognose 300 evaluiert den Alarmindikator auf Basis der Messungen der Abweichung der Verdichterauslasstemperatur im ersten und im zweiten Zeitfenster. Die Fachleute mögen es zu schätzen wissen, dass der Alarmindikator ebenso basierend auf den Leistungsparametern der Gasturbine 102 eingeholt werden kann. Die auf den Leistungsparametern der Gasturbine 102 basierende Verdichterprognose wird in 4 dargestellt.
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4 ist ein Flussdiagramm, das Verdichterprognosen 400, basierend auf den Leistungsparametern der Gasturbine 102, darstellt. In Schritt 402 kann die Mehrheit der Turbinendatenpunkte gesammelt werden. Das Sammeln der Mehrheit der Turbinendatenpunkte kann durchgeführt werden wie in Zusammenhang mit Schritt 302 der Verdichterprognosen 300 beschrieben.
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In Schritt 404 der Verdichterprognosen 400 werden die Turbinendatenpunkte, basierend auf einem oder mehr Betriebsparametern, in mehrere Gruppen kategorisiert. Die Organisation der Vielzahl von Turbinendatenpunkten in eine Vielzahl von Gruppen kann durchgeführt werden wie in Zusammenhang mit Schritt 304 der Verdichterprognosen 300 beschrieben.
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In Schritt 406 der Verdichterprognosen 400, kann eine statistische Variabilitätsgröße für einen oder mehrere Leistungsparameter der Gasturbine 102 berechnet werden. Die statistische Variabilitätsgröße kann für jede der Gruppen errechnet werden, in welche die Turbinendatenpunkte kategorisiert werden. In Schritt 406 können sowohl die Basisvariabilitätsgröße wie auch die statistische Strömungsvariabilitätsgröße für einen oder mehrere Leistungsparameter berechnet werden. Wie in Zusammenhang mit 2 dargestellt, kann die Basisvariabilitätsgröße der Mittelwert, Halbwert oder die Standardabweichung eines oder mehrerer Leistungsparameter sein, die im ersten Zeitfenster gemessen wurden. In gleicher Weise kann die Strömungsvariabilitätsgröße der Mittelwert, Halbwert oder die Standardabweichung eines oder mehrerer Leistungsparameter sein, die im zweiten Zeitfenster gemessen wurden.
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In Schritt 408 kann ein Alarmindikator berechnet werden, der auf der Basisvariabilitätsgröße und der Strömungsvariabilitätsgröße basiert. Die Berechnung des Alarmindikators kann durchgeführt werden wie in Zusammenhang mit Schritt 308 der Verdichterprognosen 300 beschrieben.
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Die Verdichterprognosen 300 und 400 können des Weiteren die Betriebsparameter, die Verdichterauslasstemperatur und die Leistungsparameter in ISO-Standardparameter regulieren. In einer Ausführung können sowohl die Basisvariabilitätsgröße wie auch die Strömungsvariabilitätsgröße auf den regulierten Parametern basierend berechnet werden. Weiterhin kann auch der Alarmindikator basierend auf den regulierten Parametern berechnet werden. Der Alarm kann auf Basis des auf diese Weise erlangten Alarmindikators ausgelöst werden.
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5 ist ein Flussdiagramm, das in Übereinstimmung mit einer Ausführung einen Prozess der Verdichterdiagnose 500 unter Verwendung einer Fusionsmethodik darstellt. Der Prozess erhält die Betriebsparameter, die Verdichterauslasstemperaturen und die Leistungsparameter von dem Sensorsystem für Gasturbinen 104. Der Prozess kann des Weiteren Schwingungsparameter der Gasturbine 102 einholen. Die Schwingungsparameter können die Auslenkung der Schwingung, die Schwingungsfrequenz und dergleichen enthalten.
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Die Verdichterauslasstemperatur-Einheit 502, die Leistungseinheit 504 und Schwingungseinheit 506 können die Verdichterauslasstemperatur, einen oder mehrere Leistungsparameter beziehungsweise die Schwingungsparameter von dem Sensorsystem für Gasturbinen 104 empfangen. Die Verdichterauslasstemperatur, die Leistungsparameter und die Schwingungsparameter werden an das Fusionsmodul 508 geleitet. Das Fusionsmodul 508 kann mindestens zwei der Verdichterauslasstemperaturen, Leistungsparameter und Schwingungsparameter vereinigen, um Gesamtparameter zu erhalten. Das Fusionsmodul 508 kann verschiedene Fusionsalgorithmen verwenden, wie zum Beispiel den Kalman-Filter-Algorithmus, den Bayes-Algorithmus, den Dempster-Shafer-Algorithmus und dergleichen. In einer Ausführung werden die Verdichterauslasstemperatur und die Betriebsparameter vereinigt, um einen Gesamtparameter zu erhalten. In einer alternativen Ausführung können die Verdichterauslasstemperaturen, die Betriebsparameter und die Leistungsparameter vereinigt werden, um einen Gesamtparameter zu erhalten.
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Die Gesamtparameter können an die Vorrichtung zur Zustandsüberwachung von Verdichtern 106 geleitet werden. Die Vorrichtung zur Zustandsüberwachung von Verdichtern kann basierend auf den Gesamtparametern den Alarmindikator berechnen. Jenen Gesamtparametern, die innerhalb des ersten und zweiten Zeitfensters zur Berechnung der Basisvariabilitätsgröße und der Strömungsvariabilitätsgröße gewonnen wurden. Der Alarmindikator kann also auf Basis der Basisvariabilitätsgröße und der Strömungsvariabilitätsgröße berechnet werden.
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Die hier dargestellten Ausführungen beinhalten des Weiteren ein Computerprogramm zum Zwecke der Durchführung der in den 3, 4 und 5 beschriebenen Schritte. Das Computerprogramm umfasst codierte Befehle, die auf einem durch den Computer lesbaren persistenten Datenträger gespeichert sind. Der durch den Computer lesbare Datenträger kann ein Direktzugriffsspeicher RAM, ein Festwertspeicher ROM, ein programmierbarer Festwertspeicher PROM, ein löschbarer Festwertspeicher EPROM und dergleichen sein. Die codierten Befehle können durch einen oder mehrere Prozessoren ausgeführt werden. Die codierten Befehle im Computerprogramm können Befehle zum Empfangen der Vielzahl von Turbinendatenpunkten, zur Kategorisierung der Turbinendatenpunkte auf Basis eines oder mehrerer Betriebsparameter in eine Vielzahl von Gruppen und zur Berechnung der Basisvariabilitätsgröße sowie der Strömungsvariabilitätsgröße der Verdichterauslasstemperatur und der Leistungsparameter der Gasturbine 102 enthalten. Das Computerprogramm kann weiterhin Befehle zur Berechnung des Alarmindikators auf Basis der Basisvariabilitätsgröße und der Strömungsvariabilitätsgröße umfassen. Das Computerprogramm kann Befehle zur Regulierung eines oder mehrerer Betriebsparameter, der Verdichterauslasstemperatur und eines oder mehrerer Leistungsparameter in ISO-Standardgrößen beinhalten.
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Das Computerprogramm kann außerdem Befehle für den Empfang eines oder mehrerer Schwingungsparameter der Gasturbine 102 beinhalten. Das Computerprogramm kann des Weiteren Befehle zur Kombination der Verdichterauslasstemperaturen und eines oder mehrerer Leistungsparameter unter Verwendung eines oder mehrerer Sensorfusionsverfahren. In einer Ausführung kann das Computerprogramm Befehle zur Kombination eines oder mehrerer Schwingungsparameter, der Verdichterauslasstemperaturen und eines oder mehrerer Leistungsparameter unter Verwendung eines oder mehrerer Sensorfusionsverfahren umfassen. Das Sensorfusionsverfahren kann einen oder mehrere Kalman-Filter-Algorithmen, Bayes-Algorithmen, Dempster-Shafer-Algorithmen und dergleichen beinhalten.
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Die hier beschriebenen Ausführungen dienen ausschließlich der Darstellung. Fachleute werden anhand dieser Beschreibung erkennen, dass die hier präsentierten Lehren nicht auf die beschriebenen Ausführungen beschränkt sind, sondern auch mit Modifikationen und Änderungen, lediglich beschränkt durch den Geist der Erfindung und den Anwendungsbereich der Ansprüche, angewendet werden können.
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Ein Verfahren 300, 400, um den Zustand des Verdichters einer Gasturbine zu überwachen wird hier offengelegt. Das Verfahren 300, 400 beinhaltet den Empfang 302, 402 einer Vielzahl von Turbinendatenpunkten, wobei eine Mehrzahl der Turbinendatenpunkte einen oder mehrere Betriebsparameter, mindestens eine Verdichterauslasstemperatur und einen oder mehrere Leistungsparameter umfasst. Die Mehrzahl der Turbinendatenpunkte kann auf Basis eines oder mehrerer Betriebsparameter kategorisiert werden 304, 404. Eine statistische Variabilitätsgröße mindestens einer der Verdichterauslasstemperaturen und eines oder mehrerer Leistungsparameter kann für jede der Vielzahl von Gruppen berechnet werden 306, 406. Ein Alarmindikator kann auf Basis mindestens einer statistischen Variabilitätsgröße berechnet werden 308, 408. Das Verfahren kann ebenso die Kombination eines oder mehrerer der Betriebsparameter, der Verdichterauslasstemperaturen und der Leistungsparameter unter Verwendung des Sensorfusionsverfahrens umfassen. Der Alarmindikator kann basierend auf den kombinierten Parametern berechnet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 102
- Gasturbine
- 104
- Sensorsystem für Gasturbinen
- 106
- Vorrichtung zur Zustandsüberwachung von Verdichtern
- 202
- Empfangsmodul
- 204
- Kategorisierungsmodul
- 206
- Variabilitätsmodul
- 208
- Alarmmodul
- 210
- Ausgabeeinheit
- 502
- Verdichterauslasstemperatur-Einheit
- 504
- Leistungseinheit
- 506
- Schwingungseinheit
- 508
- Fusionsmodul
