СИСТЕМА И СПОСОБ ПРЕДСКАЗАНИЯ ЗАДЕВАНИЯ В ТУРБИНЕ
SYSTEM AND METHOD FOR PREDICTING TURBINE RUB

[0001] Изобретение, описанное в настоящем документе, относится к турбинам, а именно к предсказанию, будет ли часть ротора турбины при ее запуске задевать за компоненты, установленные на корпусе турбины, или за сам корпус турбины.
[0002] Как правило, турбомашины имеют расположенный по центру ротор, который вращается внутри стационарного корпуса или кожуха. Рабочее вещество (газ или пар) протекает через один или более рядов лопаток ротора, расположенных по окружности и выходящих радиально из внешней поверхности вала ротора, а также через один или более рядов лопаток статора, расположенных по окружности и выходящих в направлении центра вращения к валу ротора из внешней поверхности корпуса. Рабочее вещество взаимодействует с упомянутыми лопатками и вызывает вращение вала ротора для приведения в движение нагрузки, например, генератора или компрессора. Чтобы гарантировать максимальное извлечение энергии из рабочего вещества, венцы лопаток статора, как правило, расположены очень близко к поверхности ротора. Аналогично, венцы лопаток ротора, как правило, расположены очень близко к внутренней поверхности корпуса. Подобная конфигурация предотвращает проход избыточного объема рабочего вещества мимо ряда лопастей ротора без передачи им части энергии.
[0003] В рабочих условиях дифференциальное тепловое расширение корпуса и ротора приводит к изменениям зазора между лопатками турбины и корпусом. В экстремальных случаях эти изменения могут привести к явлению, которое называют "задеванием", когда венцы лопаток касаются какого-либо другого объекта. Например, венцы лопаток ротора могут коснуться корпуса. Также, турбомашины подвержены воздействию различных сил в различных рабочих условиях, и особенно во время переходных состояний, например, запусков, остановок и изменений нагрузки. Эти силы могут также вызывать задевание. В некоторых случаях задевание может повредить лопатки статора и ротора, а также элементы уплотнения турбомашины. Такие повреждения ведут к дорогостоящему ремонту и простою машины. Также, если задевание произошло при запуске, стандартные процедуры требуют, чтобы турбомашина была остановлена и затем перезапущена через некоторое время. Такие процедуры могут приводить к дополнительному простою турбомашины.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения описана система для предсказания задевания в турбине. Система в соответствии с данным аспектом включает систему контроля, выполненную с возможностью формирования рабочих значений для турбины на основе информации, принятой от турбины, и корреляционное устройство, выполненное с возможностью формирования на основе упомянутых рабочих значений по меньшей мере одного корреляционного значения, которое устанавливает корреляцию первого рабочего значения со вторым рабочим значением. Система в соответствии с данным аспектом включает также вычислитель переменных, выполненный с возможностью формирования по меньшей мере одной вычисленной переменной на основе одного из упомянутых рабочих значений, и предсказатель задевания, который формирует предсказание задевания на основе упомянутого по меньшей мере одного корреляционного значения и упомянутого по меньшей мере одного вычисленного значения.
[0005] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения описан способ предсказания задевания в турбине. Способ в соответствии с данным аспектом включает: формирование, в системе контроля, рабочих значений для турбины на основе информации, принятой от турбины; формирование в корреляционном устройстве на основе упомянутых рабочих значений по меньшей мере одного корреляционного значения, которое устанавливает корреляцию первого рабочего значения со вторым рабочим значением; формирование в вычислителе переменных по меньшей мере одной вычисленной переменной на основе одного из упомянутых рабочих значений; и формирование в предсказателе задевания предсказания задевания на основе упомянутого по меньшей мере одного корреляционного значения и упомянутого по меньшей мере одного вычисленного значения.
[0006] Эти и другие преимущества, а также отличительные особенности настоящего изобретения становятся очевидными из дальнейшего описания, рассматриваемого в сочетании с приложенными чертежами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0007] Предмет настоящего документа, который называют настоящим изобретением, детально продемонстрирован и недвусмысленно заявлен в пунктах формулы изобретения, приведенной в конце настоящего описания. Рассмотренные выше и другие отличительные особенности, а также преимущества настоящего изобретения становятся очевидными из дальнейшего подробного описания, рассматриваемого в сочетании с чертежами, среди которых:
[0008] фиг.1 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую систему и способ формирования предсказания задевания; и
[0009] фиг.2 иллюстрирует систему, в которой могут быть реализованы варианты осуществления настоящего изобретения.
[0010] В подробном описании настоящего изобретения проиллюстрированы варианты его осуществления, вместе с их преимуществами и отличительными особенностями, путем примера со ссылками на упомянутые чертежи.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0011] Фиг.1 иллюстрирует систему 100 для предсказания задевания в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, подключенную к примеру турбинной системы 102. На фиг.1 работа системы 100 проиллюстрирована таким образом, что она включает информацию о потоке данных, а также индивидуальные компоненты. Система 100 может быть использована для формирования предсказания (предсказания 122 задевания), произойдет ли задевание во время следующего запуска турбинной системы 102. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения рабочие параметры турбины допускают регулирование для устранения или уменьшения вероятности задевания на основе предсказания 122 задевания.
[0012] Турбинная система 102 может включать турбину любого типа.
Например, турбинная система 102 может включать газовую турбину, паровую турбину или иное устройство, преобразующее энергию рабочего вещества в механическую энергию.
[0013] В случае, когда турбинная система 102 включает паровую турбину, турбинная система 102 в большинстве случаев включает конденсатор 104 для хранения воды. Воду из конденсатора 104 преобразуют в пар с помощью котельной установки 108 и затем подают в паровую турбину 130 через водо/паропровод 106. Пар проходит через паровую турбину 130 и возвращается в конденсатор 104. При проходе пара через паровую турбину 130 он расширяется и вызывает вращение ротора 132 турбины в результате взаимодействия пара с лопатками, закрепленными на роторе 132 турбины. Ротор 132 турбины может быть использован, например, для привода генератора (не показан) для производства электроэнергии.
[0014] Несмотря на то, что дальнейшее описание касается паровой турбины 130, следует понимать, что идеи, изложенные в настоящем документе, могут быть применены и к газовой турбине без выхода за пределы объема настоящего изобретения. Паровая турбина 130 включает лопатки (лопасти) 134 ротора, выходящие радиально во внешнем направлении из ротора 132 турбины. Лопатки 136 статора выходят радиально во внутреннем направлении из внешнего корпуса 138 паровой турбины 130 в сторону ротора 132 турбины и, как правило, расположены между смежными в продольном направлении лопатками 134 ротора. Специалистам в настоящей области техники следует понимать, что паровая турбина 130 может включать одну или более из следующих секций: высокого, промежуточного и низкого давления, а также, собственно, может включать более одного водо/паропровода 106, соединенного с ней, который доставляет пар различного давления в различные секции паровой турбины 130. При этом каждая из секций может включать нагревающий (или подогревающий) барабан, в котором пар нагревают до требуемой в соответствующей секции температуры/давления.
[0015] Турбинная система 102, независимо от ее типа, имеет соединение с системой 100 и передает в нее информацию. В проиллюстрированном варианте осуществления настоящего изобретения информацию передают в систему 110 контроля турбины. Упомянутая информация может включать, без ограничения, рабочие значения турбинной системы 102. Упомянутые рабочие значения могут измеряться датчиками или могут быть основаны на значениях, измеряемых датчиками. Рабочие значения могут также включать неизмеренную информацию, например, количество и типы запусков, проведенных с турбинной системой 102. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутые рабочие значения включают, без ограничения перечисленным, температуру пара при входе в паровую турбину 138, температуру металла в верхнем барабане первой ступени (например, высокого давления), температуру металла в нижнем барабане первой ступени, температуру металла одного или более подшипников, соединенных с любой из ступеней ротора 132, температуру выхода охладителя смазочного масла, температуру металла внутри верхнего барабана подогрева воды, вибрацию в направлении вдоль поперечной оси любого из подшипников, расположенных на продольной оси ротора 132 турбины (продольная ось показана стрелкой А, а поперечная ось показана стрелкой В) и положение либо главного стопорного клапана, либо отсечного клапана. На фиг.1 упомянутые рабочие значения проиллюстрированы данными, обозначенными позицией 112. Следует понимать, что система 110 контроля может преобразовывать информацию, принимаемую от турбинной системы 102 в другой формат.
[0016] В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения рабочие значения 112 передают в корреляционное устройство 114. Корреляционное устройство 114 формирует корреляционные значения 115 на основе упомянутых рабочих значений. Корреляционные значения 115 могут включать одно или более значений, устанавливающих корреляцию одного из рабочих значений (или комбинации множества переменных) с одним или более другими рабочими значениями. Корреляционные значения 115 могут включать, например, корреляцию между разностью температур пара на входе и металла внутри верхнего барабана первой ступени и температурой металла одного из подшипников (например, первого) на продольной оси ротора 132 турбины, температурой пара на входе и температурой на выходе охладителя смазочного масла, а также температурой пара на входе и температуры маслоотвода одного из упомянутых подшипников (например, второго). Корреляционные значения 115 формируют, например, в виде корреляции Спирмана или Кендалла.
[0017] Рабочие значения 112 могут также подаваться в вычислитель 116 переменных, который формирует вычисленные значения 118. Вычислитель 116 переменных может быть выполнен с возможностью формирования, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, анализа данных предыстории одного или более рабочих значений 112. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения вычислитель 116 переменных рассматривает рабочие значения 112, взятые до точки вывода турбины в рабочий режим и после нее. Например, вычислитель 116 переменных может рассматривать рабочие значения 112, находящиеся в диапазоне от 90 минут перед точкой вывода турбины в рабочий режим (например, пуска из горячего состояния) до 30 минут после вывода турбины в рабочий режим. Подобное ограничение рабочих значений 112 позволяет уменьшить вычислительное время с одновременным захватом значений, релевантных для запуска турбины.
[0018] Вычислитель 116 переменных и/или корреляционное устройство 114 могут быть дополнительно выполнены с возможностью отфильтровывания определенных значений из упомянутых рабочих значений перед, соответственно, формированием вычисленных переменных 118 и корреляционных значений 115. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения отфильтровывают значения, измеренные при работе турбины вне заданного диапазона скоростей вращения (об/мин). Упомянутый диапазон может включать начальную границу (например, 7 об/мин) и конечную границу (например, 1000 об/мин).
[0019] В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения вычислитель 116 переменных выполнен с возможностью определения изменения или скорости изменения одного или более из упомянутых рабочих значений 112. В дополнение, вычислитель 116 переменных может быть выполнен с возможностью определения уровня рабочих значений 112 в начале упомянутого диапазона скоростей вращения (например, когда турбина вращается со скоростью 7 об/мин) и уровня рабочих значений в конце упомянутого диапазона скоростей вращения (например, 100 об/мин), а также разности значений в этом диапазоне. Например, вычисленные значения 118 могут включать вибрацию в направлении оси В любого из подшипников при достижении турбиной конца упомянутого диапазона, начальное напряжение, измеренное в расточке ротора или на внешней поверхности ротора секции высокого давления, температуры металла любого из подшипников в конце упомянутого диапазона скоростей вращения.
[0020] В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения корреляционное устройство 114 и/или вычислитель 116 переменных рассматривают только те рабочие значения 112, которые связаны с запуском, непосредственно предшествующим следующему плановому запуску. В другом варианте осуществления настоящего изобретения корреляционное устройство 114 и/или вычислитель 116 переменных рассматривают рабочие значения 112, связанные с несколькими запусками, непосредственно предшествующими следующему плановому запуску.
[0021] Система 100 включает также предсказатель 120 задевания, который на основе одного или более из следующего: рабочие значения 112, корреляционные значения 114 и вычисленные значения 118, формирует предсказание 122 задевания, указывающее на вероятность того, что при следующем запуске произойдет задевание. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предсказатель 120 задевания применяет алгоритм, сформированный на базе исследования рабочих условий турбин, в которых ранее происходили задевания. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутый алгоритм для формирования предсказания задевания использует по меньшей мере одно из корреляционных значений 115 и по меньшей мере одно из вычисленных значений 118. Следует понимать, что предсказание 122 задевания может быть двоичным значением (например, "да" или "нет") или может быть выражено как вероятность задевания.
[0022] В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предсказание 122 задевания основано на определении вероятности (р) задевания, которая может быть выражена в соответствии с уравнением (1), приведенным ниже:
<mrow><mi>p</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mi>e</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>L</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>L</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow></mfrac></mrow>
(1)
[0023] В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения L представлена как функция по меньшей мере одного из корреляционных значений 115 и по меньшей мере одного из вычисленных выражений 118 и может, например, принимать форму уравнения (2), приведенного ниже:
<mrow><mi>L</mi><mo>=</mo><mi>A</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>C</mi><mi>V</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>B</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>D</mi><mi>V</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
(2)
[0024] Где А и В - коэффициенты, CV - одно из корреляционных значений 115, a DV - одно из вычисленных значений 118. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения значения А и В могут быть сформированы на основе анализа предшествующих случаев задевания, как и выбор CV и DV. В дополнение, специалистам в настоящей области техники следует понимать, что L может быть основано на любом количестве различных CV и DV.
[025] Технический эффект рассмотренного варианта осуществления настоящего изобретения заключается в том, что на основе предшествующей эксплуатации может быть сформировано предсказание: произойдет ли задевание при следующем запуске турбины.
[0026] На фиг.2 проиллюстрирован один из вариантов осуществления системы 200 обработки данных для реализации настоящего изобретения. Система 200 обработки данных представляет собой пример сервера или другого компьютерного устройства, на котором может быть реализована система 100 для предсказания задевания (фиг.1).
[0027] В данном варианте осуществления настоящего изобретения система 200 обработки данных имеет один или более центральных процессорных блоков (процессоров) 201а, 201b, 201с и т.п. (совместно или в целом называемых процессором (процессорами) 201). В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения каждый процессор 201 может включать микропроцессор с ограниченным набором команд (reduced instruction set computer, RISC). Процессоры 201 подключены к системной памяти 214 и различным другим компонентам посредством системной шины 213. Память 202 в режиме "только для чтения" (Read only memory, ROM) подключена к системной шине 213 и может включать базовую систему ввода/вывода (basic input/output system, BIOS), управляющую определенными базовыми функциями системы 200.
[0028] На фиг.2 также продемонстрированы адаптер 207 ввода/вывода (input/output, I/O) и сетевой адаптер 206, подключенные к системной шине 213. Адаптер 207 ввода/вывода может представлять собой адаптер интерфейса малых вычислительных машин (small computer system interface, SCSI), осуществляющий связь с жестким диском 203 и/или приводом 205 накопителя на магнитной ленте, или другим аналогичным компонентом. Адаптер 207 ввода/вывода, жесткий диск 203 и привод 205 накопителя на магнитной ленте в настоящем документе в совокупности называют запоминающим устройством 204. Сетевой адаптер 206 соединяет шину 213 с внешней сетью 216, что обеспечивает возможность связи системы 200 с другими подобными системами. Экран (например, экран монитора) 215 может отображать предсказание 122 задевания и может быть соединен с системной шиной 213 посредством дисплейного адаптера 212, который может включать графический адаптер для повышения производительности приложений с большим объемом графических операций и видеоконтроллер. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения адаптеры 207, 206 и 212 могут быть соединены с одной или более шин ввода/вывода, которые соединены с системной шиной 213 через промежуточный мост шины (не показан). Как правило, соответствующие шины ввода/вывода для подключения периферийных устройств, например, контроллеров жестких дисков, сетевых адаптеров и графических адаптеров, включают общие протоколы, такие как интерфейс периферийных компонентов (Peripheral Components Interface, PCI). Показаны также дополнительные устройства ввода/вывода, подключенные к системной шине 213 через адаптер 208 пользовательского интерфейса и дисплейный адаптер 212. Клавиатура 209, мышь 210 и громкоговоритель 211 подключены к шине 213 через адаптер 208 пользовательского интерфейса, который, например, может включать микросхему ввода/вывода, причем в одну интегральную схему могут быть встроены адаптеры нескольких устройств.
[0029] Следует понимать, что система 200 обработки данных может представлять собой любой подходящий компьютер или вычислительную платформу и может включать терминал, беспроводное устройство, прибор или устройство для получения информации, рабочую станцию, миникомпьютер, мейнфрейм, компьютер, сервер, карманный персональный компьютер (КПК) или любое другое мобильное или портативное устройство или более крупное вычислительное устройство. Также, следует понимать, что система 200 обработки данных может быть реализована в виде распределенной вычислительной архитектуры, например, среды распределенных вычислений. Следует понимать, что система 200 обработки данных может включать множество вычислительных устройств, объединенных сетью связи. Например, между системами может существовать отношение клиент-сервер, при этом обработка может быть разделена между двумя этими системами.
[0030] Системой 200 обработки данных может использоваться любая компьютерная операционная система. В соответствии с иллюстрацией система 200 включает также сетевой интерфейс 206 для связи по сети 216. Сеть 216 может представлять собой локальную сеть (local-area network, LAN), городскую сеть (metro-area network, MAN), или глобальную сеть (wide-area network, WAN), например Интернет или всемирную паутину.
[0031] Настоящее изобретение было детально описано в связи с ограниченным количеством вариантов его осуществления, однако, следует понимать, что изобретение не ограничено только этими рассмотренными вариантами его осуществления. Напротив, настоящее изобретение может быть модифицировано и включать любое количество изменений, модификаций, замен или эквивалентных схем, не описанных до настоящего момента, но попадающих в объем настоящего изобретения. При этом, хотя были описаны различные варианты осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что аспекты изобретения могут включать только некоторые из описанных вариантов его осуществления. Соответственно, настоящее изобретение следует считать ограниченным не предшествующим описанием, а исключительно приложенной формулой изобретения.
Список обозначений
100
Система
102
Пример турбинной системы
104
Конденсатор
106
Водо/паропровод
108
Котельная система
110
Система контроля турбины
112
Рабочие значения
114
Корреляционное устройство
115
Корреляционные значения
116
Вычислитель
118
Вычисленные значения
120
Предсказатель задевания
122
Предсказание задевания
130
Паровая турбина
132
Ротор турбины
134
Лопатки ротора
136
Лопатки статора
138
Внешний корпус
200
Система обработки данных
201
Процессоры
201а-201с
Центральные процессорные блоки
202
Память в режиме "только для чтения" (ROM)
203
Жесткий диск
204
Запоминающее устройство
205
Привод накопителя на магнитной ленте
206
Сетевой адаптер
207
Адаптер ввода/вывода (I/O)
208
Адаптер пользовательского интерфейса
209
Клавиатура
210
Мышь
211
Громкоговоритель
212
Дисплейный адаптер
213
Системная шина
214
Системная память
215
Экран
216
Внешняя сеть