ОБНАРУЖЕНИЕ ОТКАЗА ДАТЧИКА ТЕМПЕРАТУРЫ В ТУРБИННЫХ СИСТЕМАХ
TEMPERATURE SENSOR FAILURE DETECTION IN TURBINE SYSTEMS

Область техники изобретения
Настоящее изобретение относится к области наблюдения и обнаружения отказа в турбинных системах, в частности, обнаружения отказа датчика температуры в газовых/паровых турбинных системах.
Уровень техники
Любая газовая/паровая турбина оснащается большим числом датчиков, которые регистрируют множество важных физических параметров, например, температуры наконечника горелки и температуры выхлопного сопла, измеряемые посредством термопар (температурных датчиков). Зарегистрированные значения параметров используются системой управления турбиной. Соответственно, очень важным является то, что обнаруживается отказ датчика.
С помощью данных турбины, т.е., значений параметров и событий от системы управления, инженер по эксплуатации наблюдает за работой турбины. Таким образом, при обработке аварийного останова турбины (ненормальное отключение турбины), его основной задачей является оценка режима отказа (например, отказ термопары), затем устранение первопричины (например, ремонт термопары) и запуск турбины снова как можно скорее (например, минимизация часов простоя).
Отказ термопары является одним из наиболее частых отказов. Если произошел аварийный останов турбины (т.е. ненормальное отключение турбины), наблюдающий инженер всегда проверяет, сломалась ли одна из термопар. Для того чтобы определять отказ термопары, инженер может поступать двумя способами:
1. Он может изучать график температур термопары, чтобы увидеть, существуют ли некоторые резкие скачки в температуре. Поскольку типичная турбина имеет 6-8 термопар наконечника горелки и 12-18 термопар выхлопного сопла, это подразумевает существенный объем работы.
2. Он может проверять последовательность событий от системы управления, записанных прямо перед аварийным остановом турбины, чтобы видеть, произошло ли событие, указывающее "отказ термопары". Однако, наблюдающий инженер типично отвечает за множество турбин, например, 20 турбин или более. Эти турбины могут быть от различных поставщиков, т.е. могут быть сообщения с различным "текстом события", означающие "отказ термопары". Кроме того, система управления может либо не сообщать об отказах термопар вообще, либо может не распознавать отказ какой-либо термопары.
Таким образом, в большинстве случаев аварийного останова турбины наблюдающий инженер просто просматривает данные термопар и вручную изучает графики температуры. Поскольку данные датчиков записываются в коротких интервалах времени (таких как интервалы времени 1 минута или даже интервалы времени 1 секунда), этот процесс может занимать очень много времени.
Таким образом, существует необходимость в простом и быстром способе обнаружения отказов датчиков температуры.
Сущность изобретения
Эта необходимость может быть удовлетворена предметом изучения согласно независимым пунктам формулы изобретения. Преимущественные варианты осуществления настоящего изобретения описываются в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно первому аспекту изобретения предоставляется способ обнаружения отказа датчика температуры в турбинной системе. Способ содержит (a) получение отдельных значений измерений от каждого датчика температуры в группе датчиков температуры, (b) вычисление характеристического значения для каждого датчика температуры в группе на основе значений измерений для соответствующего датчика температуры, (c) выбор первого характеристического значения среди вычисленных характеристических значений, (d) определение первого максимального значения в качестве максимума характеристических значений за исключением первого характеристического значения, и (e) определение того, что датчик температуры, соответствующий первому характеристическому значению, является неисправным, если первое характеристическое значение больше первого максимального значения, умноженного на предварительно определенный коэффициент.
Этот аспект изобретения основывается на идее, что значения измерений от каждого датчика температуры в группе датчиков температуры получаются и анализируются, чтобы определять, действительно ли характеристическое значение для одного датчика температуры (т.е., датчика, соответствующего выбранному первому характеристическому значению) значительно больше наибольшего характеристического значения других датчиков температуры в группе, т.е. больше первого максимального значения, умноженного на предварительно определенный коэффициент. Все датчики температуры, принадлежащие группе датчиков температуры, размещаются в аналогичных позициях в турбинной системе и, таким образом, подвергаются сравнимым окружающим условиям. Соответственно, в обычных условиях, ожидается, что характеристические значения всех датчиков температуры в группе являются более или менее равными. Следовательно, если выбранное характеристическое значение значительно больше наибольшего характеристического значения других датчиков температуры в группе, очень вероятно, что выбранный датчик температуры является неисправным.
Во время работы турбинной системы получаются отдельные значения измерений от каждого датчика температуры в группе датчиков температуры. Т.е., отдельные последовательности значений измерений (например, с предварительно определенным интервалом выборки, таким как, 1 с, 2 с, 5 с, 10 с, 15 с, 20 с, 30 с или 60 с) получаются для каждого датчика температуры в группе. Характеристическое значение вычисляется для каждого датчика температуры на основе значений измерения от датчика температуры. Теперь, чтобы определять, является ли неисправным конкретный датчик температуры, выбирается (первое) характеристическое значение, соответствующее этому конкретному датчику температуры, и определяется (первое) максимальное значение из всех других характеристических значений. Если выясняется, что выбранное (первое) характеристическое значение больше (первого) максимального значения, определяется, что датчик температуры является неисправным.
Способ согласно этому аспекту изобретения полагается на данные измерений, которые уже предоставлены какой-либо турбинной системой (для использования в соответствующих системах управления), и может, таким образом, быть выполнен без необходимости в каких-либо дополнительных измерительных аппаратных средствах или других модификациях самой турбинной системы.
Согласно варианту осуществления изобретения способ дополнительно содержит (a) выбор второго характеристического значения среди вычисленных характеристических значений, (b) определение второго максимального значения в качестве максимума характеристических значений за исключением второго характеристического значения и (c) определение того, что датчик температуры, соответствующий второму характеристическому значению, является неисправным, если второе характеристическое значение больше второго максимального значения, умноженного на предварительно определенный коэффициент.
В этом варианте осуществления изобретения дополнительный (второй) датчик температуры выбирается для тестирования аналогичным образом как описано выше. Т.е., выбирается (второе) характеристическое значение, соответствующее другому конкретному датчику температуры, и определяется (второе) максимальное значение из всех других характеристических значений. Если выясняется, что выбранное (второе) характеристическое значение больше (второго) максимального значения, определяется, что дополнительный датчик температуры является неисправным.
Предпочтительно, все датчики температуры в группе тестируются таким образом посредством последовательного выбора соответствующего характеристического значения, вычисляется максимальное значение из невыбранных характеристических значений и определяется, больше ли выбранное характеристическое значение, чем максимальное значение, умноженное на предварительно определенный коэффициент.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения каждое характеристическое значение вычисляется посредством применения предварительно определенной функции, в частности, статистической функции, к значениям измерений для соответствующего датчика температуры.
Посредством применения предварительно определенной функции к значениям измерения характеристическое значение может указывать поведение значений измерений по времени.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения статистическая функция выбирается из группы, состоящей из среднеквадратичного отклонения значений измерений, среднего значения для значений измерений, экспоненциального среднего значения для значений измерений и интеграла значений измерений.
Посредством вычисления среднеквадратического отклонения значений измерений характеристическое значение указывает степень варьирования значений измерений от соответствующего датчика температуры.
Аналогично, среднее, экспоненциальное среднее и интеграл (Римана) для значений измерений характеризуют поведение значений измерений по времени.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения предварительно определенная функция применяется к значениям измерений, соответствующим предварительно определенному периоду времени.
Предварительно определенный период времени может, в частности, составлять так называемое скользящее окно в том смысле, что способ выполняется с регулярными интервалами (например, каждую минуту или каждые 5 минут), и что используются последние x минут значений измерений, предшествующих времени выполнения способа.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения продолжительность предварительно определенного периода времени находится между 10 минутами и 30 минутами, например, между 15 минутами и 25 минутами, например, около 20 минут.
Эксперименты показали, что продолжительность около 20 минут обеспечивает хорошее компромиссное соотношение между ложными тревогами и нераспознаваниями сигнала.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения предварительно определенный коэффициент находится между 4 и 5.
Эксперименты показали, что предварительно определенный коэффициент в этом диапазоне обеспечивает устойчивое и надежное обнаружение неисправных датчиков температуры.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения способ дополнительно содержит (a) получение отдельных значений измерений от каждого датчика температуры в дополнительной группе датчиков температуры, (b) вычисление характеристического значения для каждого датчика температуры в дополнительной группе на основе значений измерений для соответствующего датчика температуры,
выбор первого характеристического значения среди вычисленных характеристических значений, (c) определение первого максимального значения в качестве максимума характеристических значений за исключением первого характеристического значения и (d) определение того, что датчик температуры, соответствующий первому характеристическому значению, является неисправным, если первое характеристическое значение больше первого максимального значения, умноженного на предварительно определенный коэффициент.
В этом варианте осуществления значения измерений от дополнительной группы датчиков температуры обрабатываются тем же образом, что и описано выше. Важно отметить, что только значения измерений от датчиков температуры в дополнительной группе используются, чтобы определять, является ли один из этих датчиков неисправным.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения датчики температуры из группы датчиков температуры размещаются, чтобы измерять температуры наконечника горелки в турбинной системе, а датчики температуры из дополнительной группы датчиков температуры размещаются, чтобы измерять температуры выхлопного сопла в турбинной системе.
Согласно второму аспекту изобретения предоставляется устройство для обнаружения отказа датчика температуры в турбинной системе. Устройство содержит (a) блок для получения отдельных значений измерений от каждого датчика температуры в группе датчиков температуры, (b) блок для вычисления характеристического значения для каждого датчика температуры в группе на основе значений измерений для соответствующего датчика температуры, (c) блок для выбора первого характеристического значения среди вычисленных характеристических значений, (d) блок для определения первого максимального значения в качестве максимума характеристических значений за исключением первого характеристического значения, и (e) блок для определения того, что датчик температуры, соответствующий первому характеристическому значению, является неисправным, если первое характеристическое значение больше первого максимального значения, умноженного на предварительно определенный коэффициент.
Этот аспект изобретения основывается на той же идее, что и первый аспект, описанный выше, и предоставляет устройство, приспособленное для выполнения способов согласно первому аспекту и вышеописанным вариантам его осуществления.
Согласно третьему аспекту изобретения предоставляется система для наблюдения за множеством турбинных систем, каждая турбинная система содержит, по меньшей мере, одну группу датчиков температуры. Система содержит (a) блок связи для приема значений измерений от датчиков температуры каждой турбинной системы, (b) блок хранения для хранения принятых значений измерений и (c) блок обработки для выполнения способа согласно первому аспекту или любому из вышеописанных вариантов осуществления по сохраненным данным для каждой турбинной системы.
Этот аспект изобретения основывается на той идее, что простой способ обнаружения отказа датчика температуры согласно первому аспекту может быть использован в системе для наблюдения за несколькими турбинными системами.
Значения измерений от каждой из турбинных систем принимаются через блок связи (например, сеть связи) и сохраняются в блоке хранения для обработки посредством блока обработки.
Отметим, что система согласно этому аспекту изобретения может быть реализована на силовой установке с несколькими турбинными системами или в удаленном местоположении. В обоих случаях она может собирать данные измерений от нескольких силовых установок.
Согласно варианту осуществления изобретения система дополнительно содержит (a) блок уведомления, передающий уведомляющее сообщение оператору турбинной системы, если блок обработки обнаружил отказ датчика температуры в турбинной системе.
В этом варианте осуществления изобретения блок уведомления передает уведомляющее сообщение оператору соответствующей турбинной системы в случае отказа датчика температуры, так что оператор может предпринимать необходимое действие.
Предпочтительно, уведомляющее сообщение может содержать различную информацию, такую как ID турбины, ID датчика температуры, время обнаружения ошибки и т.д.
Согласно четвертому аспекту изобретения предоставляется компьютерная программа, содержащая исполняемые компьютером инструкции, которые, когда исполняются компьютером, инструктируют компьютеру выполнять этапы способа согласно первому аспекту или любому из вышеописанных вариантов осуществления.
Компьютерная программа может быть установлена на подходящую компьютерную систему, чтобы предоставлять возможность выполнения способов, описанных выше.
Согласно пятому аспекту изобретения предоставляется компьютерный программный продукт, содержащий компьютерно-читаемый информационный носитель, на который загружена компьютерная программа согласно четвертому аспекту.
Отметим, что варианты осуществления изобретения были описаны со ссылкой на различные предметы изучения. В частности, некоторые варианты осуществления были описаны со ссылкой на пункты формулы изобретения типа способа, тогда как другие варианты осуществления были описаны со ссылкой на пункты формулы типа устройства. Однако, специалист в области техники поймет из вышеприведенного и последующего описания, что, пока не указано иное, в дополнение к любому сочетанию отличительных признаков, принадлежащих одному типу предмета изучения, также любое сочетание отличительных признаков, относящихся к другим предметам изучения, в частности, к сочетаниям отличительных признаков пунктов формулы изобретения типа способа и отличительных признаков пунктов формулы типа устройства, является частью описания этого документа.
Аспекты, определенные выше, и дополнительные аспекты настоящего изобретения являются очевидными из примеров вариантов осуществления, которые должны быть описаны позже в данном документе, и объясняются со ссылкой на примеры вариантов осуществления. Изобретение будет описано более подробно далее в данном документе со ссылкой на примеры вариантов осуществления. Однако, явно отмечается, что изобретение не ограничивается описанными примерными вариантами осуществления.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 показывает блок-схему последовательности операций способа согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг. 2 показывает блок-схему системы наблюдения согласно варианту осуществления изобретения.
Подробное описание изобретения
Иллюстрация на чертеже является схематичной. Отметим, что на различных чертежах аналогичные или идентичные элементы снабжаются одинаковыми номерами ссылок или номерами ссылок, которые отличаются только в первой цифре.
Фиг. 1 показывает блок-схему последовательности операций способа 100 обнаружения отказа датчика температуры в турбинной системе согласно варианту осуществления изобретения. Более конкретно, турбинная система, т.е., газовая/паровая турбина, содержит множество датчиков температуры (термопар), размещенных в группах в турбинной системе, например, группа датчиков температуры наконечника горелки и группа датчиков температуры выхлопного сопла.
Способ 100 начинается на этапе 102, когда отдельные значения измерений от каждого датчика температуры в одной из групп датчиков температуры получаются. Значения измерений от каждого отдельного датчика в группе типично имеют форму последовательности значений измерений (или выборок), разделенных по времени предварительно определенным интервалом, таким как 1 секунда или 1 минута.
На этапе 104 характеристическое значение, предпочтительно среднеквадратическое отклонение, среднее значение, экспоненциальное среднее значение или интеграл, вычисляется для каждого датчика температуры. В этом отношении используются значения измерений от конкретного датчика температуры, соответствующие некоторому периоду времени, такому как последние 20 минут.
На этапе 106 одно из вычисленных характеристических значений вычисляется в качестве первого характеристического значения. Это соответствует выбору первого датчика температуры для тестирования.
На этапе 108 определяется максимальное значение среди всех других характеристических значений (группы). Т.е., определяется максимальное значение из характеристических значений за исключением выбранного характеристического значения.
Теперь, на этапе 110, определяется, больше ли выбранное характеристическое значение, чем максимальное значение, умноженное на предварительно определенный коэффициент между 4 и 5.
Если это действительно так, датчик температуры, соответствующий выбранному характеристическому значению, считается неисправным, и способ переходит к этапу 112, когда предпринимаются меры, чтобы уведомлять оператора турбинной системы об отказе, например, посредством активации тревожного сигнала, отправки сообщения или любым другим подходящим образом. После этого способ переходит к этапу 114.
С другой стороны, если выбранное характеристическое значение не больше максимального значения, умноженного на предварительно определенный коэффициент, датчик температуры считается правильно работающим, и способ переходит к этапу 114.
На этапе 114 проверяется, все ли характеристические значения были выбраны, т.е., все ли датчики температуры были проверены. Поскольку это было первое характеристическое значение, ответ является отрицательным, и способ переходит к этапу 118, когда выбирается другое характеристическое значение (следующее характеристическое значение). После этого, этапы 108, 110, 112 (только если Да на этапе 110) и 114 повторяются для выбранного следующего характеристического значения.
Когда определяется на этапе 114, что все датчики температуры были протестированы, способ заканчивается на этапе 116.
Предпочтительно, способ повторяется для другой группы датчиков температуры. Кроме того, способ может быть повторен на более поздней стадии как часть непрерывного наблюдения за турбинной системой.
Сутью способа 100 согласно этому варианту осуществления является то, что определяется, действительно ли характеристическое значение, которое представляет вариативность в значениях измерений в течение предварительно определенного периода времени, значительно больше других характеристических значений в группе датчиков температуры. Поскольку предполагается, что датчики температуры в одной группе должны подвергаться сравнимым температурам во время устойчивого состояния работы турбины, такое определение подразумевает, что конкретный датчик ведет себя в значительной степени отличным образом от других сравнимых датчиков температуры.
Фиг. 2 показывает блок-схему системы наблюдения согласно варианту осуществления изобретения. Показанная система содержит устройство 205 наблюдения (или станцию наблюдения), первую турбинную установку 210, вторую турбинную установку 220 и третью турбинную установку 230. Первая турбинная установка содержит контроллер C1 и три турбинных системы T11, T12 и T13. Контроллер C1 находится на связи с турбинами T11, T12 и T13 и принимает значения измерений от датчиков температуры в каждой турбине T11, T12, T13 и передает управляющие сигналы турбинам T11, T12 и T13. Аналогично, вторая турбинная установка 220 содержит контроллер C2 и три турбинных системы T21, T22 и T23, а третья турбинная установка 230 содержит контроллер C3 и четыре турбинных системы T31, T32, T33 и T34. В качестве общего замечания, больше турбинных установок может быть добавлено, и число турбинных систем на каждую установку могут отличаться от того, что показано на фиг. 2.
Устройство 205 находится на связи с каждой из турбинных установок 210, 220 и 230 через блок связи, такой как сетевой интерфейс, и принимает значения измерений, собираемые соответствующими контроллерами C1, C2 и C3, предпочтительно непрерывным образом. Принятые значения измерений сохраняются в подходящем блоке хранения и обрабатываются в соответствии со способом, описанным выше в связи с фиг. 1. Если обработка обнаруживает неисправный датчик температуры в одной из турбинных систем T11, T12, T13, T21, T22, T23, T31, T32, T33, T34, блок уведомления передает соответствующее уведомляющее сообщение оператору соответствующей турбинной установки 210, 220, 230, так что правильное действие может быть предпринято, т.е., замена неисправной термопары.
Соответственно, оператор установки может полагаться на уведомление в случае неисправного датчика температуры в одной из турбин установки. Таким образом, обременительная работа, ассоциированная с изучением напечатанных кривых температуры или ненадежных сообщений от контроллеров C1, C2, C3, более не является обязательной.
Отметим, что термин "содержит" не исключает других элементов или этапов, а использование артиклей "a" или "an" не исключает множества. Также элементы, описанные в ассоциации с различными вариантами осуществления, могут быть объединены. Дополнительно отметим, что ссылочные знаки в формуле изобретения не должны истолковываться как ограничивающие рамки формулы изобретения.
Список ссылочных номеров:
100 Способ
102 Этап способа
104 Этап способа
106 Этап способа
108 Этап способа
110 Этап способа
112 Этап способа
114 Этап способа
116 Этап способа
118 Этап способа
205 Устройство наблюдения
210 Турбинная установка
220 Турбинная установка
230 Турбинная установка.