DE2917870A1

DE2917870A1 - Verfahren zur ermittlung der zwischenueberholungsbetriebsdauer von gasturbinenanlagen

Info

Publication number: DE2917870A1
Application number: DE2917870A
Authority: DE
Inventors: Viktor Grigorievitsch Dubinsky; Boris Isaakovitsch Glezer; Michail Semenovitsch Kalinin; Valentin Petrovits Komardinkin; Michail Chananovitsch Schulman; Jury Semenovitsch Tscharny
Original assignee: SPECIALIZIROVANNOE UPRAVLENIE
Current assignee: SPECIALIZIROVANNOE UPRAVLENIE
Priority date: 1978-05-03
Filing date: 1979-05-03
Publication date: 1979-11-15
Also published as: IT7922343A0; DE2917870C2; GB2029970A; CS210104B1; SU704332A1

Description

Spetsializirovannoe Upravlenie "Orgenergogaz" Vidnoe Moskovskoi oblasti UdSSR

Verfahren zur Ermittlung der Zwischenüberholungsbetriebsdauer von Gasturbinenanlagen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Betriebsdauer von Gasturbinenanlagen zwischen erforderlichen Überholungen, die im folgenden kurz als Zwischenüberholungsbetriebsdauer bezeichnet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann inPrüfanlagen zur Diagnose des technischen Zustands von Gasturbinenanlagen, beispielsweise der Gasförderaggregate, Anwendung finden.

Es ist bereits ein Verfahren zur Ermittlung der Zwischenüberholungsbetriebsdauer einer Gasturbinenanlage aufgrund von Ergebnissen der abschätzenden Prüfung ihres laufenden technischen Zustands bekannt, das in der

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Feststellung und Bewertung der zeitlichen Veränderung der Wirksamkeitsgrößen von Gasturbinenanlagen wie Leistung und Wirkungsgrad durch Vergleich der tatsächlichen mit den Nennkennlinienwerten der Turbinenanlage besteht (vgl. die US-PS 3 731 070).

Dieses Verfahren ermöglicht jedoch nicht den auf den Einfluß eines jeden Betriebszustande sowohl eines jeden Anlagenelements als auch der gesamten Gasturbinenanlage zurückzuführenden Gesamteinfluß zu berücksichtigen und zu bewerten.

Bekannt ist ferner auch ein Verfahren zur Ermittlung der Zwischenüberholungsbetriebsdauer einer Gasturbinenanlage (vgl. den SU-Urheberschein ,

Anmeldung Nr. 2 090 090/O6 vom 31.12.71), durch kontinuierliche Registrierung der thermodynamisehen Kenngrößen des Arbeitsprozesses, des Vibrationsverhaltens der Anlagenelemente, der Durchsätze, der Leistung und der Betriebszeitzunahmen unter Berücksichtigung der Eingriffsdauer jeder Einflußgröße.

Jedoch ist auch dieses Verfahren nicht wirtschaftlich genug, solange der Zeitpunkt der Außerbetriebnahme der Gasturbinenanlage zur Überholung nicht genau festgelegt wird, da die Registrierungsanlage, in der das betreffende Ermittlungsverfahren durchgeführt wird, nur eine laufende Größe der Betriebsdauer (verstrichene Betriebszeit) am einzelnen Gasturbinenanlagenelement unter der Bedingung zu bewerten erlaubt, daß ein den technischen Zustand des jeweiligen Elements richtig beschreibendes mathematisches Modell im voraus vorliegt, und nicht imstande ist, den technischen Zustand der

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Gasturbinenanlage im Ganzen komplex zu bewerten. Darüber hinaus können durch das betreffende Verfahren keine Betriebsbesonderheiten mitberücksichtigt werden, was entweder zu einer vorzeitigen oder einer Notaußerbetriebnahme der Gasturbinenanlage führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der Zwischenüberholungsbetriebsdauer einer Gasturbinenanlage zu entwickeln, das die Ermittlung der Mängelgrößen an der Gasturbinenanlage und der Geschwindigkeit der zeitlichen Mängelzunahme gewährleistet und so die Ermittlung der Vorüberholungsbetriebsdauer der Gasturbinenanlage mit einer größeren Genauigkeit erlaubt.

Die Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung der Zwischenüberholungsbetriebsdauer einer Gasturbinenanlage unter kontinuierlicher Registrierung von thermodynamischen Kenngrößen des Arbeitsvorgangs, des Vibrationsverhaltens der Gasturbinenanlagenelemente, der Durchsatzkennlinien, der Leistung und der Betriebszeitzunahmegrößen unter Berücksichtigung der Eingriffsdauer jeder Einflußgröße ist gekennzeichnet durch

- experimentelle Ermittlung der sog. kritischen Anlagehelemente während des Betriebsablaufs, die die Zeit T„ der Zwischenüberholungsbetriebsdauer bestimmen,

- Feststellung des Anfangszeitpunkts, an dem die Grenzwerte der Mängel an diesen kritischen Anlagenelementen erreicht werden, aus der Gesamtheit der Registrierungsgrößen,

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- Messung der Geschwindigkeit der zeitlichen Zunahme der Mängel der kritischen Anlagenelemente (A·) bis zu ihren Grenzwerten und

- Ermittlung einer gleichwertigen Geschwindigkeit

( X(T₀)) der Zunahme der Mängel an der Gasturbinenanlage im Ganzen und aus dieser Ermittlung der Zeitdauer (Tq) des Zwischenüberholungsbetriebs.

Das erfindungsgemäße Verfahren gibt die Möglichkeit, die betriebliche Wirtschaftlichkeit der Gasturbinenanlage durch Erhöhung der Ermittlungsgenauigkeit des Zeitpunktes ihrer Außerbetriebnahme zur Überholung zu steigern.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung der Zwischenüberholungsbetriebsdauer einer Gasturbinenanlage wird wie folgt durchgeführt:

Die Gasturbinenanlage wird aufbaumäßig in funktionsbedingte Haupteinheiten unterteilt, wie sie beispielsweise bei einem Gasförderaggregat Gasturbine, Axialverdichter, Brennkammer und Gasradiallader darstellen.

Danach werden Betriebsdaueruntersuchungen der Gasturbinenanlage durchgeführt, deren Ergebnisse zur Feststellung der sog. kritischen Elemente der genannten Haupteinheiten der Gasturbinenanlage führen, die die Zeitdauer des Zwischenüberholungsbetriebs bestimmen.

Im Laufe dieser Betriebsdaueruntersuchungen werden auch die Zeitpunkte festgestellt, an denen die Grenzwerte der Mängel an den kritischen Anlagenelementen erreicht werden. Als Grenzwerte der Mängel werden diejenigen

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kleinsten Werte definiert, die mit Geräten bei der Registrierung der Abweichungen der thermodynamischen Kenngrößen des Arbeitsvorgangs, des Vibrationsverhaltens der Anlagenelemente, der Betriebsdauerzunahmegrößen, der Leistung, der Durchsatzgrößen usw. von den entsprechenden Nennwerten erfaßt werden können.

In diesem Zusammenhang werden dann die Geschwindigkeitswerte der Mängelentwicklung über die Zeit bis zu ihren kritischen Werten in Abhängigkeit von den oben genannten Einflußgrößen unter Berücksichtigung ihrer Eingriffsdauer gemessen.

Als kritische Mängelgrößen müssen diejenigen Mängelwerte gewählt werden, deren Erreichung den weiteren Betrieb der Gasturbinenanlage im Ganzen infolge unvermeidbar wahrscheinlichen Ausfalls der Anlagenelemente unmöglich macht.

Zur Verarbeitung der Untersuchungsergebnisse und nachfolgenden Bewertung des technischen ZuStands der Haupteinheiten der im Betrieb befindlichen Gasturbinenanlage werden mathematische Modelle des Betriebsverhaltens der Gasturtinenanlagentexle entwickelt, die physikalische Abhängigkeiten der Geschwindigkeit der Mängelentwicklung an den kritischen Elementen jeder Anlagenhaupteinheit von den gemessenen Kenngrößen unter Berücksichtigung ihres Gegeneinflusses darstellen.

Die entwickelten mathematischen Modelle jeder Haupteinheit werden dann in den Recheneinheiten eines Computers verwendet.

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In dieselben Recheneinheiten werden auch die Einflüsse der zufälligen Einflußgrößen zu ihrer Mitberücksichtigung durch Eingabe der Parameter aus ihrem Zeitverteilungsgesetz eingeführt.

Hiernach wird die sog. gleichwertige Geschwindigkeit der Mängelzunahme an der Gasturbinenanlage als Ganzes durch Einführung der Berechnungsergebnisse der Geschwindigkeitswerte der Mängelentwicklung an allen kritischen Anlagenelementen in den Computer aus einem zuvor erstellten mathematischen Modell des Betriebes der gesamten Gasturbinenanlage errechnet, das die Abhängigkeit der genannten gleichwertigen Geschwindigkeit der Mängelzunahme von der Geschwindigkeit der Mängelentwicklung an einzelnen Anlageneinheiten und deren Gegeneinfluß mathematisch darstellt.

Die Zeitdauer des Zwischenüberholungsbetriebs wird dann am mathematischen Modell in Abhängigkeit von der gleichwertigen Geschwindigkeit der Mängelzunahme an der ganzen Gasturbinenanlage ermittelt.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im folgenden an einem Beispiel veranschaulicht.

Nach Durchführung der Untersuchung sind die kritischen Anlagenelemente der Gasturbinenanlage wie beispielsweise unter anderem die Drucklager des Gasradialladers, die Laufschaufeln der zweiten Stufe des Axialverdichters, die Flammenübertragungsstutzen in der Brennkammer und a.m. ermittelt, die die Zeitdauer des Zwischenüberholungsbetriebs bestimmen.

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Es wird angenommen, daß die den technischen Zustand der ermittelten kritischen Anlagenelemente beschreibenden mathematischen Modelle während der speziell durchgeführten Untersuchungen im voraus aufgestellt sind. Diese mathematischen Modelle werden für jedes kritische Anlagenelement aufgestellt und stellen die Abhängigkeit der Geschwindigkeit der Mängelentwicklung im jeweiligen kritischen Anlagenelement von den mit Geräten registrierten Einflußgrößen dar.

Unter den Verhältnissen des vorliegenden Beispiels wurde für den Spalt im Drucklager des Gasradialladers auf experimentellem Wege ein Ausgangswert von 0,15 mm gemessen; nach 1900 Betriebsstunden hatte die Größe des Spalts bis auf 0,20 mm zugenommen, wobei die kritische Größe des betreffenden Spalts 0,40 mm beträgt.

An der einer Diagnose unterzogenen Gasturbinenanlage wurden zu jedem Diagnosezeitpunkt die Kenngrößen gemessen, die den technischen Zustand und die Betriebsdauer des Drucklagers bestimmen. Diese Meßergebnisse, die im laufenden Diagnosezeitschritt erhalten wurden, sind in der Tabelle 1 zusammengestellt.

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Tabelle 1

Kenngröße	Ausgangswert	i	1	i	Zeitpunkt	Wert am Ende	4 μπι	Wert am Ende	!
und	zum	Wellenvibration,		eines dem fol		des folgen	:l ι
Bezeichnung	t = 0	niedere Frequenz		genden Diagnose		den Diagnose	j
		(halbe		schritt vorher		schritts zum	i
		Frequenz)		gehenden Zeit-		Zeitpunkt	i I
		4. Abweichung dei		'■■punkts		t=2000 h	■I
				;t=1900 h			¹ -2 ⁰C
1. Amplitude der
Wellenvibration,	- I	20 μηι	i
Hauptfrequenz	Temperatur der		I 21 μπι !		26 μΐη
2. Amplitude der	Lagerschale		j
			i I
	von der mittleren		i
Wellenvibration,	Temperatur	3 .μπι	I
höhere Frequenz	aller Lager ii		i ■ 4 μπι	■ -4 ⁰C	4 μπι
(doppelte	der Anlage		;
Frequenz)
3. Amplitude der
	3 μπι
		6 μπι





-4 ⁰C

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Es wurde ferner auch festgehalten, daß im Laufe von 2000 Betriebsstunden der Gasturbinenanlage während 1900 Stunden seit dem Anfangsdiagnosezeitpunkt die Anlage dreimal angefahren wurde und während der 100 Reststunden ununterbrochen in Betrieb war.

Mit Hilfe des vorhandenen mathematischen Modells des technischen Zustande des Drucklagers des Gasradialladers, das die Abhängigkeit der Veränderung der Geschwindigkeit der Mängelentwicklung im Drucklager von den in der Tabelle 1 zusammengestellten Kenngrößen unter Berücksichtigung ihres Gegeneinflusses darstellt, wurde eine mittlere Zunahme der Spaltgröße in 100 Stunden von ^L = 0,06 mm und eine zugehörige Streuung von D = 0,001 mm ermittelt.

Hiernach wird eine laufende Bewertungsspaltgröße von L = 0,20 + 0,06 = 0,26 mm berechnet; die abschließende mittlere quadratische Abweichung S"_T , die die Streuung der wirklichen Spaltgröße L in Bezug auf die Bewertungsspaltgröße L kennzeichnet, ergibt sich aus der Beziehung 6"_L = \TÖ7 (Df worin D₁ = 0,021 + 0,001 = 0,022 mm², d.h. eine akkumulierte Streuung der Spaltgröße im Zeitpunkt t = 2000 h, bedeutet. Somit wird &_T =V0,021 + 0,001 ~

L·

0,15 mm, wobei 0,021 mm² die Streuung der Bewertungsspaltgröße ist, die im vorhergehenden Diagnoseschritt vor dem Zeitpunkt t = 2000 h ermittelt wurde.

Gegebenenfalls wird bestätigt, daß sich die Größe L nach der normalen Gesetzmäßigkeit verändert.

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Auf diese Weise steht fest, daß der "Abstand" der Spaltgröße im DiagnoseZeitpunkt t = 2000 h von ihrem kritischen Wert 0,40 - 0,26 = 0,14 mm beträgt, woraus sich eine mittlere Geschwindigkeit der Spaltgrößenveränderung Λ.(t) = 6-10 mm/h ergibt.

Die Dispersion bzw. Streuung D der Verteilung der Spaltgröße setzt sich aus der Summe der bereits angesammelten Streuung D₁ = 0,022 mm² und der erwarteten Streuung D„ zum Zeitpunkt der Zerstörung zusammen, die sich zu D₂ = 0,14 mm/AL = 0,023 mm² ergibt.

Daraus folgt D = 0,022 + 0,023 = 0,045 mm².

Der Anteil der zurückzulegenden Betriebsdauer des Drucklagers zu jedem Prognosezeitpunkt T~ , der vom laufenden Zeitpunkt t ab gezählt wird, wird mit dem bekannten Ausdruck des Normalverteilungsgesetzes mit den Verteilungsparametern, deren Zahlenwerte oben angegeben sind, als

-4
6-10 ■

Pit, T) = -=L·= I ' °'⁰⁴⁵ e-(x²/2) dx (2)

V 2

beschrieben, in dem P(t, V) den Anteil der zurückzulegenden Betriebsdauer des Drucklagers bis zum Prognosezeitpunkt "C und χ die Mängelgröße des Lagers, Λ.(t) = 6-10 mm/h die mittlere Geschwindigkeit der Spaltgrös-

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senveränderung im Lager, D = 0,045 mm² die Streuung der Spaltgrößenveränderung des Lagers und 0,14 mm die Restgröße des Spalts im Lager darstellen.

In ähnlicher Weise werden auch die Werte der Geschwindigkeiten A. der Mängelentwicklung an anderen kritischen Elementen der Gasturbinenanlage mit der Maßgabe ermittelt, daß für jedes dieser kritischen Anlagenelemente ein entsprechendes, seinen technischen Zustand beschreibendes mathematisches Modell existiert, wobei i = 1,2, ... η die Nummer des betrachteten kritischen Anlagenelements bedeutet.

Ferner wird auch die gleichwertige Geschwindigkeit der Mängelzunahme der Gasturbinenanlage als Ganzes ermittelt.

Im vorliegenden Beispiel ist bekannt, daß diese Geschwindigkeit durch den Ausdruck

Λ (T₀) = A- (T - 2000) +B (3)

gegeben ist, in dem A(T„) die gleichwertige Geschwindigkeit der Mängelzunahme der Gasturbinenanlage in D/h.} / ^τ _η Zeitdauer des Zwischenüberholungsbetriebs, T die verstri chene Betriebsdauer der Gasturbinenanlage zum Prognosezeitpunkt in Ch]., 2000 die laufende Betriebsdauer

_— Q O

der Gasturbinenanlage in [hj ,'A = 1,1-10 h einen komplexen Parameter, der die zeitliche Veränderung der Geschwindigkeit der Mängelentwicklung an einzelnen Elementen der Gasturbinenanlage kennzeichnet, und

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—5 — 1

B = 2-10 h einen komplexen Parameter, der die Anfangsgeschwindigkeit der Mängelentwicklung an einzelnen Gasturbinenanlagenelementen charakterisiert, bedeuten.

Der Ausdruck (3) ermöglicht die Ermittlung der gleichwertigen Geschwindigkeit A(T_n) der Mängelzunahme der Gasturbinenanlage zu jedem Prognosezeitpunkt.

Hiernach kann die Zeitdauer T_n des Zwischenüberholungsbetriebs ermittelt werden.

Dazu kann im betrachteten Beispiel als eine der möglichen Varianten eine optimisierende Ausgangsbeziehung (vgl. R. Barlow und L. Hanter "Optimum preventive maintenance policies", Operation Research, 1960, Vol. 8)

K = -F ( Γ) + λ (T) · I P(x) dx (4)

ausgenutzt werden, in der K einen von den Betriebsverhältnissen abhängigen Beiwert, F (T) die Verteilungsfunktion der Betriebszeit der Gasturbinenanlage bis zu ihrer Betriebsstörung, .Α(ίΤ) die Intensität der Betriebsstörungen und P(x) den Anteil der verstrichenen Betriebsdauer bedeuten.

Durch logische Umformungen unter Berücksichtigung der Mehrschrittkorrektion nimmt die Ausgangsbeziehung (4) die Form

K = P(O,t) · P(t, T_n) + (T_n) -jj(O,t) + P(O,t) · P(t, T_n) d] (5)

an, in der P(O,t) =0,98 den berechneten Anteil der im

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Bereich zwischen dem Anfangszeitpunkt t = O und dem Diagnosezeitpunkt t = 2000 h durch die Gasturbinenanlage verstrichenen Betriebsdauer, P(t, T_n) den Anteil der restlichen Zwischenüberholungsbetriebsdauer im Bereich zwischen dem Diagnosezeitpunkt t = 2000 h und dem Zeitpunkt T₀ der Außerbetriebnahme der Gasturbinenenanlage zu ihrer Überholung bedeuten, wobei J(O,t) wie folgt berechnet wird:

J(O,t) = P(O,t) dt = 1987 h (6). 0

Der Beiwert K in der Ausgangsbeziehung (5) wird beispielsweise aus der Bedingung der Aufrechterhaltung eines Höchstniveaus der Betriebsbereitschaft der Gasturbinenanlage gewählt. Nach den Betriebsvorschriften ist vorgegeben, daß die mittlere Dauer einer verhütenden Reparatur 0,46 der mittleren Dauer der Notreparatur erreichen muß. Somit wird der Zahlenwert K in der Ausgangsbeziehung (5)

^{K =} ^{= 1}'⁸⁶·

Nach einer gemeinsamen numerischen Lösung der Beziehungen (3) und (5) im Computer wird dann die Größe T₀ der Zwischenüberholungsbetriebsdauer ermittelt.

Im betrachteten Beispiel errechnet sich die Zwischenüberholungsbetriebsdauer T_n zu 8500 h.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung der ZwLschenüberholungsbetriebsdauer von Gasturbinen- « anlagen gibt die Möglichkeit, die optimale Restzwischen-

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Überholungsbetriebsdauer einer Gasturbinenanlage aufgrund der komplexen Bewertung ihres tatsächlichen technischen Zustands im Ganzen zu ermitteln. Bei dieser Ermittlung werden auch nicht gerechtfertigte Stillsetzungen und Wiederinbetriebnahmen der Gasturbinenanlage vermieden, was an sich ihre Betriebsdauer vergrößert. Während der Durchführung des Verfahrens sind ferner die Bestimmung der kritischen Anlagenelemente, die den weiteren Anlagenbetrieb einschränken, die Mängelprognose, die Zunahmestärke der Mängel und die Zusammenstellung der Arbeiten zu ihrer Beseitigung, die Bewertung der Dauer, der Arbeitsaufwendigkeit und der Kosten der Überholungsmaßnahmen, die Vermeidung der Notsituationen sowie die Lieferungsplanung für die Ersatzteile von zusätzlichem Vorteil.

Die Erfindung betrifft zusammengefaßt ein Verfahren zur Ermittlung der Zwischenüberholungsbetriebsdauer von Gasturbinenanlagen, das darin besteht, daß zunächst sog. kritische Elemente der Gasturbinenanlage ermittelt werden, die die Zeitdauer (T_n) des Zwischenüberholungsbetriebs bestimmen, daß dann die Zeitpunkte, in denen die Grenzwerte der Mängel dieser kritischen Anlagenelemente erreicht werden, nach der Gesamtheit der kontinuierlich registrierten thermodynamisehen Kenngrößen des Arbeitsvorgangs, des Vibrationsverhaltens, der Durchsatzkennlinien, der Leistung und der Kennwerte der zurückgelegten Betriebsdauer unter Berücksichtigung der Eingriff sdauer jeder Einflußgröße festgestellt werden, danach die Geschwindigkeit (A.) der Mängelentwicklung an

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den kritischen Anlagenelementen über die Zeit bis zu den kritischen Mängelwerten gemessen und eine gleichwertige Geschwindigkeit (^ (T_Q)) der Mängelzunahme der Gasturbinenanlage im Ganzen und mit dieser auch die Zeitdauer (T„) des ZwischenÜberholungsbetriebs ermittelt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in Anlagen zur Diagnose des technischen Zustands von Gasturbinenanlagen, beispielsweise des Zustands der Gasförderaggregate, Anwendung finden.

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Claims

Patentanspruch

Verfahren zur Ermittlung der Zwischenüberholungsbetriebsdauer von Gasturbinenanlagen unter kontinuierlicher Registrierung von thermodynamisehen Kenngrößen des Arbeitsvorgangs, des Vibrationsverhaltens der Anlagenelemente, der Durchsatzkennlinien, der Leistung und der Betriebszeitzunahmegrößen unter Berücksichtigung der Eingriffsdauer jeder Einflußgröße,

- experimentelle Ermittlung der sog. kritischen Anlagenelemente während des Betriebsablaufs, die die Zeit Tq der Zwischenüberholungsbetriebsdauer bestimmen,

- Feststellung des Anfangszeitpunkts, an dem die Grenzwerte der Mängel an diesen kritischen Anlagenelementen erreicht werden, aus der Gesamtheit der Registrierungsgrößen,

- Messung der Geschwindigkeit der zeitlichen Zunahme der Mängel der kritischen Anlagenelemente (A^) bis zu ihren Grenzwerten und

- Ermittlung einer gleichwertigen Geschwindigkeit

( 5v_(T₀) ) der Zunahme der Mängel an der Gasturbinenanlage im Ganzen und aus dieser Ermittlung der Zeitdauer (Tq) des Zwischenüberholungsbetriebs.

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