СПОСОБ ОЦЕНКИ ПОЛОЖЕНИЯ ЭПИЦЕНТРА ТЕПЛОВОГО ПОЛЯ ВЫХЛОПА ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ
METHOD FOR ESTIMATING POSITION OF GAS TURBINE EXHAUST GAS THERMAL FIELD EPICENTER

Изобретение относится к области техники, а более конкретно - к способу оценки положения эпицентра теплового поля выхлопа газотурбинной установки.
Настоящее изобретение может найти применение при создании, эксплуатации, управлении и мониторинге систем различного назначения, включая сложные технические системы, в которых интегрированы газотурбинные установки, используемые в энергетике, машиностроении, коммунальном хозяйстве и других отраслях. Задача оценки положения эпицентра теплового поля выхлопа весьма актуальна, поскольку увеличение неоднородности приводит к пережогу направляющих лопаток первой ступени газовой турбины и снижению ее коэффициента полезного действия.
В основу настоящего изобретения положена задача создания такого способа оценки положения эпицентра теплового поля выхлопа газотурбинной установки, который позволил бы накапливать и использовать данные о положении эпицентра теплового поля выхлопа газотурбинной установки в каждый момент времени для подконтрольных газотурбинных установок, а также рассчитывать среднюю температуру на выходе из газотурбинной установки и максимальные отклонения от средней температуры и формировать на основании полученных данных объективное мнение относительно изменения степени неравномерности температурного поля.
Наиболее близким к данному изобретению является способ выравнивания температурного поля в газотурбинных устройствах (патент РФ №2522146), который можно принять за прототип. Данное изобретение может быть использовано в энергетике, а именно в газоперекачивающих агрегатах материальных газопроводов, автономных электростанциях и других энергоустановках, содержащих газотурбинный привод, работающий на природном газе. В данном способе топливо к отдельным горелкам подается с критическими параметрами течения в каналах, проходные сечения которых выполняют идентичными. Продольные профили всех каналов выполняют совпадающими с профилем любого произвольно взятого канала, предпочтительно изготовленного первым, с точностью, определяемой погрешностью изготовления, причем стенки каналов выполняют с одинаковой шероховатостью поверхности, при этом равенство расходов топлива, поступающего во входную часть каждого канала, дополнительно обеспечивают за счет выполнения во входной части канала настроечного элемента, преимущественно в виде фаски, с возможностью изменения его геометрических размеров при настройке канала на заданный расход. Технический результат изобретения - обеспечение равномерности температурного поля перед турбиной газотурбинной установки.
Смысл прототипа составляет способ выравнивания температурного поля в газотурбинных установках, основанный на обеспечении равенства расходов компонентов топлива через отдельные горелочные устройства камеры сгорания и заключающийся в подаче компонентов топлива к отдельным горелочным устройствам по каналам, в которых обеспечивают критические параметры течения, и состоящим из входной и выходной частей, соединенных между собой при помощи минимального проходного сечения, при этом проходные сечения указанных каналов выполняют идентичными, отличающийся тем, что продольные профили всех каналов выполняют совпадающими с профилем любого произвольно взятого канала, предпочтительно изготовленного первым, с точностью, определяемой погрешностью изготовления, причем стенки каналов выполняют с одинаковой шероховатостью поверхности, при этом равенство расходов топлива, поступающего во входную часть каждого канала, дополнительно обеспечивают за счет выполнения во входной части канала настроечного элемента, преимущественно в виде фаски, с возможностью изменения его геометрических размеров при настройке канала на заданный расход
Однако рассмотренный прототип имеет следующие недостатки:
- не является универсальным для различных типов ГТУ;
- не позволяет использовать данные о положении эпицентра теплового поля выхлопа газотурбинной установки в каждый момент времени, а также рассчитывать среднюю температуру на выходе из газотурбинной установки и максимальные отклонения от средней температуры;
- не позволяет формировать на основании полученных данных объективное мнение относительно изменения степени неравномерности температурного поля.
Задачи изобретения решены и недостатки прототипа устранены в реализованном согласно настоящему изобретению способе оценки положения эпицентра теплового поля выхлопа газотурбинной установки, предусматривающем следующие стадии:
1) накапливают данные о положении эпицентра теплового поля выхлопа газотурбинной установки в каждый момент времени для подконтрольных газотурбинных установок;
2) рассчитывают среднюю температуру на выходе из газотурбинной установки и максимальные отклонения от средней температуры и накапливают эти данные;
3) эксперт получает данные о положении эпицентра теплового поля выхлопа газотурбинной установки в каждый момент времени, а также среднюю температуру на выходе из газотурбинной установки и максимальные отклонения от средней температуры и формирует на основании полученных данных мнение относительно изменения степени неравномерности температурного поля;
4) по результатам шага 3 автоматизировано корректируют параметры функционирования газотурбинной установки;
5) полученные показатели и состояния по стадиям 2, 3 и 4 необязательно сохраняют и используют в качестве сигнализирующих и/или управляющих воздействий, позволяющих достичь безопасного и оптимального функционирования газотурбинной установки.
За счет реализации заявленного авторами способа достигаются следующие технические результаты:
- он является универсальным для различных типов ГТУ;
- позволяет использовать данные о положении эпицентра теплового поля выхлопа газотурбинной установки в каждый момент времени, а также рассчитывать среднюю температуру на выходе из газотурбинной установки и максимальные отклонения от средней температуры;
- позволяет формировать на основании полученных данных объективное мнение относительно изменения степени неравномерности температурного поля.
Настоящее изобретение будет раскрыто в нижеследующем описании системы удаленного мониторинга и прогностики (СУМиП), включающей набор экспертных модулей, в том числе модуль контроля положения эпицентра теплового поля на выходе из газовой турбины
СУМиП состоит из систем нижнего и верхнего уровней. Задачей нижнего уровня является сбор, первичная обработка, буферизация и обеспечение передачи данных на верхний уровень, где решаются аналитические задачи, связанные с осуществлением контроля и прогностики технического состояния объектов.
Процесс сбора и передачи данных реализован на основе 2-х серверной схемы. Сервер системы нижнего уровня, для которого с помощью сетевых экранов организована демилитаризованная зона, осуществляет сохранение получаемых из автоматизированных систем (АСУ) управлении технологическим процессом (ТП) данных для дальнейшей передачи по защищенному каналу через глобальную сеть на сервер системы верхнего уровня. Сервер нижнего уровня играет роль буфера получаемых данных. Такая схема изолирует работу АСУ ТП объекта и системы нижнего уровня, а также обеспечивает сохранность получаемых данных при возникновении внештатных ситуаций. Кроме того, получение данных в полном объеме в системе верхнего уровня обеспечивает возможность подробного анализа изменений в техническом состоянии объекта специалистами, работающими с системой верхнего уровня, что позволяет контролировать техническое состояние всех объектов мониторинга силами этих специалистов.
Аналитическая обработка данных в режиме online автоматически осуществляется в системе верхнего уровня средствами эмпирического моделирования. Эмпирические модели строятся статистическими методами на базе выборки значений технологических параметров объекта за период работы, принимаемый в качестве эталонного. Построенная модель позволяет оценивать в режиме online статистически значимые отклонения свойств, поступающих текущих данных от свойств точек выборки за эталонный период. Это и означает оценку изменения в техническом состоянии объекта мониторинга. Применяемый метод моделирования обладает высокой чувствительностью и позволяет обнаружить малейшие отклонения в техническом состоянии и выявить зарождение дефекта задолго до его существенного проявления.
Кроме фиксации возможного отклонения в поведении, моделирование также указывает степень влияния на это отклонение различных технологических параметров. Учитывая связь этих параметров с условиями работы различных узлов и деталей объекта, специалист может оценить, в какой подсистеме объекта начались изменения.
СУМиП применяется для online-мониторинга 24/7 состояния технических устройств на опасных производственных объектах и предупредительной (предиктивной) диагностики возможных отказов и аварий. Мониторинг состояния осуществляется посредством контроля нормального поведения объектов наблюдения, включая нормальный износ (выработку ресурса), и выявления аномальных изменений состояния, свидетельствующих о неожиданном росте вероятности наступления неблагоприятных, в том числе и аварийных, последствий.
Поведение турбоагрегата при различных нагрузках может существенно различаться, поэтому для моделирования его поведения строится не единственная модель, а набор моделей, соответствующих различным режимам работы. Переключение между моделями производится при online-моделировании автоматически в соответствии с условиями смены режима. В СУМиП созданы online-модели для следующих режимов работы:
• номинальной нагрузки;
• средней нагрузки;
• низкой нагрузки;
• повышения нагрузки;
• снижения нагрузки;
• пуска;
• выбега;
• холостого хода;
• валоповорота.
Для каждого из этих режимов на базе выборок эталонного периода строятся модели, используемые при online-моделировании.
Модуль контроля положения эпицентра теплового поля на выходе из газовой турбины позволяет сравнить состояние турбины в различные моменты времени по неоднородности распределения температур на выхлопе. Увеличение неоднородности приводит к пережогу направляющих лопаток первой ступени газовой турбины, снижению ее коэффициента полезного действия. В данном случае целесообразное время вывода в ремонт или на техническое обслуживание определяется по совокупности факторов надежности и экономической эффективности.
Согласно [1] и [2]:
- окружная неравномерность температурного поля на выходе из камеры сгорания не должна быть более 10% от средней температуры;
- для выполнения этого необходимая точность проходных сечений воздушного тракта камеры сгорания и устройств распределения топлива должна устанавливаться в технической документации и контролироваться при изготовлении и сборке;
- допустимую окружную и радиальную неравномерность в плоскости измерения и выбор сечения для измерения температур определяет изготовитель ГТУ;
- должен быть предусмотрен контроль работы каждой пламенной трубы, обеспечивающий обнаружение увеличения окружной неравномерности температурного поля;
- не допускаются вибрационное горение или срывы пламени при резких изменениях режима работы ГТУ и атмосферных условий (ливневый дождь, метель).
По сравнению со способами известными авторам, заявляемый способ обладает высокой универсальностью и гибкостью и позволяет достичь лучших результатов, в частности формировать на основании полученных данных объективное мнение относительно изменения степени неравномерности температурного поля.
Литература
1. СТО 70238424.27.040.001-2008 Газотурбинные установки. Условия поставки. Нормы и требования - М.: Стандартинформ, 2008
2. ГОСТ Р 52527-2006 Установки газотурбинные. Надежность, готовность, эксплуатационная технологичность и безопасность - М.: Стандартинформ, 2006.