СИСТЕМА УДАЛЕННОГО МОНИТОРИНГА ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ
GAS TURBINE INSTALLATION REMOTE MONITORING SYSTEM

Изобретение относится к системе удаленного мониторинга газотурбинных установок (ГТУ), путем определения технического состояния газотурбинной установки и повышения эффективности ее работы.
Известна система удаленного мониторинга объектов, содержащая группу датчиков, связанных с ГТУ и передающих информацию о ее эксплуатационных параметрах на сервер нижнего уровня, выполненный с возможностью получения эксплуатационных параметров, их хранения и передачи на сервер верхнего уровня, выполненный в свою очередь с возможностью визуального контроля эксплуатационных параметров (см. патент RU 2649542 C1, G05B 23/00 и др., 06.12.2016).
Недостатком известной системы является то, что она не позволяет проводить оперативный и непрерывный контроль эксплуатационных параметров и контроль за рабочим состоянием газотурбинных установок в реальном времени, поскольку прогностическая модель работы оборудования обеспечивает только прогнозирование отклонений эксплуатационных параметров в работе системы удаленного мониторинга ГТУ.
Техническим результатом заявленного изобретения является оперативная оценка состояния газотурбинной установки и ее периферийных агрегатов в реальном времени, изменений параметров во времени, обеспечение эксплуатации газотурбинной установки и ее периферийных агрегатов по техническому состоянию. Оперативный контроль за состоянием газотурбинной установки в реальном времени позволяет принимать оперативные меры по устранению, по восстановлению удовлетворительного технического состояния оборудования, приостанавливать развитие в нем неисправностей и прочее.
Разработанная система обеспечивает удаленный мониторинг эксплуатационных параметров в реальном времени и обеспечивает безопасную эксплуатацию ГТУ по фактическому техническому состоянию.
Технический результат достигается за счет того что система удаленного мониторинга газотурбинной установки ГТУ содержащая группу датчиков, связанных с ГТУ и передающих информацию о ее эксплуатационных параметрах на сервер нижнего уровня, выполненный с возможностью получения эксплуатационных параметров, их хранения и передачи на сервер верхнего уровня, выполненный в свою очередь с возможностью визуального контроля эксплуатационных параметров. Новым является то, что сервер нижнего уровня снабжен блоком математической обработки, выполненным с возможностью получения эталонных параметров поступивших от датчиков ГТУ до начала эксплуатации и приведения части эталонных параметров к стандартным атмосферным условиям, а также эксплуатационных параметров, поступающих в ходе работы ГТУ, блок математической обработки в свою очередь связан с блоком базы данных истории эксплуатации, где осуществляется хранение получаемых параметров, и который также связан с блоком сравнения, реализованный с возможностью сравнения эталонных параметров и приведенных эталонных параметров с эксплуатационными параметрами, при этом блок сравнения связан с блоком автоматики, который в свою очередь связан с ГТУ и реализован с возможностью формирования управляющего сигнала на органы управления ГТУ по сигналу от блока сравнения, также блок сравнения связан с блоком журнала предупреждений, реализованным с возможностью учета сигналов от блока сравнения, при этом сервер верхнего уровня представляет собой графический интерфейс, в котором содержатся следующие логические блоки:
логический блок трендового контроля эксплуатационных параметров, выполненный в виде графиков зависимостей значений эксплуатационных параметров, при этом для каждой зависимости установлены границы предельно-допустимых значений отклонений в интервале 1…2% от эталонных параметров приведенных к стандартным условиям для предупредительной границы, и в интервале 0,5…1,0% от предупредительной границы для аварийной границы, также дополнительно каждому графику зависимости, соответствует график по времени разности зависимостей значений эталонных параметров приведенных к стандартным условиям и значений эксплуатационных параметров при работе газотурбинной установки,
логический блок оценки технического состояния, выполненный в виде зависимостей относительных отклонений значений эксплуатационных параметров от значений эталонных параметров приведенных к стандартным условиям, при этом для контролируемой газотурбинной установки для каждой зависимости установлены границы предельно-допустимых значений отклонений,
логический блок трендов зависимостей, выполненный с возможностью отображения трендов зависимостей эксплуатационных параметров в режиме реального времени или за выбранный временной интервал, при этом на графиках этих зависимостей отображены линии предельно-допустимых значений эксплуатационных параметров,
логический блок анализа трендов, выполненный в виде графиков зависимостей значений эксплуатационных параметров по времени, с возможностью выявления тренда за определенный временной интервал, при этом на графическом интерфейсе одновременно отображены по меньшей мере два тренда по указанным выше параметрам с линиями предельно-допустимых значений этих параметров,
логический блок карты параметров, выполненный в виде графика нескольких произвольно выбранных значений эксплуатационных параметров, представляющий собой отображение указанных значений, находящихся в границах предупредительного и аварийного уровней, при этом окружностями ограничены области допустимых значений и области предупреждения о приближении параметров к предельно-допустимым значениям, на радиусах которого отложены отрезки, которые отображают фактическую величину эксплуатационных параметров, а точки определяющие параметры на определенный момент времени соединены прямыми линиями, с образованием четырехугольника,
логический блок журнала предупреждений, выполненный с возможностью отображения информации о достижении предельно-допустимых значений эксплуатационных параметров с фиксацией периода времени работы при предельно-допустимых значениях, по меньшей мере, одного эксплуатационного параметра.
логический блок мнемосхемы газотурбинной установки, выполненный с возможностью вывода в реальном времени на мнемосхеме выбранной газотурбинной установки значений эксплуатационных параметров с возможностью обновления данных раз в минуту,
логический блок показателей газотурбинной установки, выполненный с возможностью отображения на графическом интерфейсе технических характеристик ГТУ.
Важным элементов эксплуатации и технического обслуживания газотурбинных установок является непрерывный контроль их рабочего состояния. Обнаружение возникших дефектов и предупреждение их на ранней стадии развития, а также своевременное принятие правильных решений по их устранению до возникновения аварийных ситуаций, при достаточном количестве информации, обеспечивает продление срока службы ГТУ, снижение затрат на ремонты, сокращение времени простоя. Удаленный мониторинг состояния ГТУ и ее периферийных агрегатов приводит к повышению надежности и эффективности технического обслуживания ГТУ.
Переход от одного логического блока к другому, анализ информации в журнале предупреждений, анализ исходной и обработанной информации, анализ трендов, позволяет в режиме реального времени оперативно оценивать текущее состояние газотурбинной установки и своевременно обнаруживать возникновение неисправностей, дефектов, некорректной работы ГТУ и ее периферийных агрегатов, принимать оперативные меры по восстановлению удовлетворительного технического состояния оборудования, приостанавливать развитие в нем неисправностей и прочее.
Разработанная система обеспечивает удаленный мониторинг параметров в реальном времени и позволяет делать выводы о состоянии оборудования и необходимых превентивных мерах, что в целом обеспечивает безопасную эксплуатацию ГТУ и ее периферийных агрегатов по фактическому техническому состоянию.
Кроме того, реализация данного способы удаленного мониторинга позволяет существенно снизить эксплуатационные затраты за счет принятия правильных диагностических решений и уменьшения издержек, вызванных «внезапными» остановами и незапланированным ремонтом оборудования (избежать необоснованных ремонтов и существенно увеличить межремонтный период эксплуатации оборудования), как дополнительный эффект сокращение требуемого квалифицированного персонала на местах.
Полученная информация в ходе мониторинга технического состояния ГТУ и ее периферийных агрегатов помогает достоверно прогнозировать их работоспособность, определить фактический ресурс до отказа. На основе такого анализа можно выработать соответствующие мероприятия для выбора оптимальных режимов работы, способы предотвращения неполадок, составить рекомендации и технологии по необходимым модернизациям, ремонтным работам и срокам их выполнения, установить опасные участки, которые могут привести к аварийным ситуациям и своевременно принять управленческие решения по предотвращению таких ситуаций.
Основные функции системы удаленного мониторинга:
- наблюдение за эксплуатационными параметрами ГТУ,
- оперативная оценка фактического состояния ГТУ,
- прогноз дальнейшей работы ГТУ.
Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 - показана общая схема системы удаленного мониторинга газотурбинной установки;
На фиг. 2 - логический блок трендового контроля, на графическом интерфейсе (пример 1);
На фиг. 3 - логический блок трендового контроля, на графическом интерфейсе (пример 2).
При эксплуатации ГТУ на конкретной компрессорной станции, разработанная система удаленного мониторинга газотурбинных установок позволяет осуществлять в режиме реального времени оперативную оценку и контроль за состоянием газотурбинной установки и изменениями эксплуатационных параметров во времени. Данная система позволяет собирать, хранить и передавать данные со всех ГТУ в он-лайн режиме на графический интерфейс пользователя. При этом, при проведении удаленного мониторинга может быть выбрана любая ГТУ, подключенная к системе удаленного мониторинга.
На ГТУ (фиг. 1) в контролируемых зонах устанавливают группы датчиков, передающие сигнал на сервер нижнего уровня, где осуществляется сбор данных, которые передаются в блок математической обработки, предназначенный для обработки и перерасчета аналоговых сигналов поступающих от датчиков в цифровые, а часть параметров кроме того приводится к стандартным условиям, затем данные передаются в соответствующие логические блоки.
В первые часы после ввода в эксплуатацию газотурбинной установки снимаются основные характеристики двигателя, которые принимают за эталонные параметры.
Так как атмосферные условия не являются постоянными, то часть эталонных параметров приводят к стандартным условиям по ГОСТ Р 52200-2004 (температура 288,15 К, давление 101,3 кПа).
Далее, при эксплуатации ГТУ датчики передают информацию о текущих значениях параметров, эти значения принимают за эксплуатационные параметры. Значения эксплуатационных параметров поступают на сервер нижнего уровня, выполненный с возможностью получения этих значений, их хранения и передачи на сервер верхнего уровня.
В частном случае реализации изобретения, перечень подлежащих контролю параметров работы двигателя определен и структурирован как набор из 108 диагностических параметров.
Кроме того, для каждых значений эксплуатационных параметров устанавливают аварийные границы и границы предельно - допустимых значений. Затем обработанные данные от датчиков, поступают в блок сравнения и являются основой для удаленного мониторинга и трендового контроля параметров.
В данном блоке сравнения проводят анализ поступающей информации от ГТУ путем сравнения полученных значений эксплуатационных параметров с эталонными и приведенными к стандартным условиям эталонным параметрам, определяют степени отклонения поступающих параметров за заданный промежуток времени. При отклонении, по меньшей мере, одного параметра ГТУ и ее периферийных агрегатов формируют сигнал сообщающий о состоянии работы ГТУ и ее периферийных агрегатов или по меньшей мере одного ее узла.
В случае отклонения или при превышении значений эксплуатационных параметров предельно - допустимых значений или аварийных границ, сигнал об этом событии поступает в блок автоматики, который в свою очередь формирует управляющий сигнал на агрегаты двигателя.
Кроме того, указанный сигнал от блока сравнения поступает в блок журнала предупреждений, в котором осуществляется фиксация данного события, а также всех технологических событий, например, промывка газовоздушного тракта двигателя, осмотры газовоздушного тракта, замена фильтров и проч., а также предусмотрена предупредительная сигнализация по отклонениям эксплуатационных параметров от аварийных границы и границы предельно - допустимых значений. Из указанного блока информация передается на сервер верхнего уровня, где на графическом интерфейсе оператора выводится указанная информация.
События, не фиксируемые системой автоматизации управления, но имеющие значимость для анализа, могут быть введены вручную.
Значения эксплуатационных параметров, эталонных и приведенных эталонных параметров к стандартным условиям, заносятся в блок базы данных эксплуатационных параметров.
Блок базы данных истории эксплуатационных параметров позволяет накапливать за определенный промежуток времени (от 1 час до 1 года) работы мониторируемой ГТУ на различных режимах эксплуатации, что позволяет проводить качественный анализ по влиянию эксплуатационных режимов на надежность и ресурсные показатели ГТУ.
В процессе мониторинга фиксируется вся история эксплуатации и все события фиксируемые системой удаленного мониторинга эксплуатации ГТУ - кто просматривал и работал с информацией. Предусмотрен учет перемещений двигателей.
Накопленная за определенный промежуток база данных позволяет разработать эффективные мероприятия по улучшению характеристик и повышению надежности ГТУ.
Указанные данные поступают через сервер сбора и передачи данных по защищенному информационному каналу на сервер верхнего уровня, выполненный с возможностью визуального контроля эксплуатационных параметров. Исходную, обработанную информацию о значениях параметров, и результаты ее обработки выводят на удаленный пользовательский интерфейс операторов (специалистов) в виде логических блоков, при этом оператор (операторы/специалисты) в реальном времени, переходя от одного логического блока к другому, осуществляют визуальный контроль параметров, делают вывод о состоянии газотурбинной установки и ее периферийных агрегатов, принимают решение о необходимых мерах по эксплуатации газотурбинной установки.
Максимальная информативность экранов представления данных, восприятие оператором состояния технологической системы в целом при одном взгляде на монитор способствует простоте управления и в тоже время качественной эксплуатации ГТУ.
При этом каждый логический блок выполнен и работает следующим образом.
Логический блок трендового контроля эксплуатационных параметров, выполнен в виде графиков зависимостей значений эксплуатационных параметров. Для каждой зависимости указанных значений установлены границы предельно-допустимых значений отклонений в интервале 1…2% от эталонных параметров приведенных к стандартным условиям для предупредительной границы, и в интервале 0,5…1,0% от предупредительной границы для аварийной границы. Дополнительно каждому графику зависимости, соответствует график по времени разности зависимостей значений эталонных параметров приведенных к стандартным условиям и значений эксплуатационных параметров при работе газотурбинной установки. При превышении указанных границ, информация о соответствующем событии заносится в журнал предупреждений, для визуального анализа. Полученные по эталонным значениям параметров зависимости с предупредительными и аварийными границами на удаленном пользовательском интерфейсе представлены в виде линий аппроксимированных графиков, а эксплуатационные параметры при работе газотурбинной установки в виде точки, обновляемой с дискретностью 1 мин, Кроме того, дополнительно каждому графику зависимости, соответствует график по времени разности зависимостей эталонных и эксплуатационных значений параметров. Кроме того, существует возможность для просмотра фактических значений параметров за предшествующий период в интервале от 1 часа до 1 года с усреднением параметров от 1 мин до 60 мин.
Логический блок оценки технического состояния, выполнен в виде зависимостей относительных отклонений значений эксплуатационных параметров от значений эталонных параметров приведенных к стандартным условиям, при этом для контролируемой газотурбинной установки для каждой зависимости установлены границы предельно-допустимых значений отклонений, при превышении которых информация о соответствующем событии заносится в журнал предупреждений. При этом, проводят визуальный контроль с возможностью просмотра фактических значений параметров в предшествующий период в интервале от 1 часа до 1 года с усреднением параметров от 1 мин до 60 мин.
Логический блок трендов зависимостей, выполнен с возможностью отображения трендов зависимостей эксплуатационных параметров в режиме реального времени или за выбранный временной интервал, при этом на графиках этих зависимостей отображены линии предельно-допустимых значений эксплуатационных параметров. При достижении параметром предельных значений в журнал предупреждений заносится информация о данном событии.
Логический блок анализа трендов, выполнен в виде графиков зависимостей значений эксплуатационных параметров по времени, с возможностью выявления тренда за определенный временной интервал, при этом на графическом интерфейсе одновременно отображены по меньшей мере два тренда по указанным выше параметрам с линиями предельно-допустимых значений этих параметров. При этом при достижении указанных параметров в журнал предупреждений заносят информацию о данном событии, а представленные тренды позволяют визуально контролировать изменения эксплуатационных значений параметров по времени.
Логический блок карты параметров, выполнен в виде графика нескольких произвольно выбранных значений эксплуатационных параметров, представляющий собой отображение указанных значений, находящихся в границах предупредительного и аварийного уровней, при этом окружностями ограничены области допустимых значений и области предупреждения о приближении параметров к предельно-допустимым значениям, на радиусах которого отложены отрезки, которые отображают фактическую величину эксплуатационных параметров, а точки определяющие параметры на определенный момент времени соединены прямыми линиями, с образованием четырехугольника, при этом по деформации указанного четырехугольника судят о преобладающей степени деградации одного из параметров.
Логический блок журнала предупреждений, выполненный с возможностью отображения информации о достижении предельно-допустимых значений эксплуатационных параметров с фиксацией времени достижения предельно-допустимых значениях, по меньшей мере, одного эксплуатационного параметра.
Логический блок мнемосхемы газотурбинной установки, выполнен с возможностью вывода в реальном времени на мнемосхеме выбранной газотурбинной установки значений эксплуатационных параметров с возможностью обновления данных раз в минуту, при этом выбирают ее номер в окне перечня газотурбинных установок, подключенных к системе, на выбранной мнемосхеме данной газотурбинной установки с приводным оборудованием выводят значения наиболее важных режимных и эксплуатационных параметров, а на удаленный пользовательский интерфейс в реальном времени выводят динамически обновляемую информацию о состоянии агрегата, при этом данные обновляются раз в минуту.
Логический блок показателей газотурбинной установки, выполнен с возможностью отображения на графическом интерфейсе технических характеристик ГТУ. В указанном блоке показателей газотурбинной установки, на удаленном пользовательском интерфейсе отображают историю эксплуатации, используя данные не менее чем за год, включающие, информацию по наработке газотурбинной установкой, агрегатом, количеству запусков, аварийных остановов, типу масла применяемого в системе смазки двигателя, начале эксплуатации, датах и количествах ремонтов, о количестве масла в маслобаке, часовом расходе масла, работе газотурбинной установки при пиковых нагрузках и другие, заблаговременно планируют ремонтные работы и техническое обслуживание двигателя, оптимизируют работу газотурбинной установки и эффективно управляют жизненным циклом газотурбинной установки в составе агрегата.
Для углубленного анализа состояния двигателя, оператор может сформировать произвольную группу трендов и отклонений рабочих точек в любом доступном временном интервале. Измерения параметров производится с частотой опроса от 20 до 50 раз в сек. Сравнения в блоках параметров производимся с осреднением на базе от 1 мин до 1 часа по выбору оператора. По анализу каждого блока оператор принимает решение о продолжении эксплуатации при нахождении параметров в допустимых пределах или о прекращении эксплуатации при выходе параметра/параметров за допустимые пределы.
Разработанный способ удаленного мониторинга газотурбинных установок позволяет накапливать в электронном виде в инженерных центрах сопровождающих эксплуатацию, историю эксплуатации оборудования, обрабатывать результаты с применением аналитических методик и последующим внесением дополнений в алгоритмы систем автоматизации управления.
Работа системы удаленного мониторинга рассмотрена на примерах.
С помощью инструментов интерфейса в окне перечня газотурбинных двигателей выбирается конкретный двигатель, выбирается логический блок трендового контроля (фиг. 2), при этом для данного двигателя на координатных плоскостях, например, зависимости приведенной температуры газов за турбиной Т4пр от приведенной частоты вращения ротора низкого давления N1np отображаются рабочие точки диагностической функции. На эту координатную плоскость нанесены также линии аппроксимированных базовых функций, полученных при испытаниях двигателя в первые часы эксплуатации, и границы предельно допустимых отклонений - предупредительных и аварийных. Рабочая точка в конкретном случае находится на предельно-допустимой - аварийной границе. Положение рабочей точки на этой линии является диагностическим событием, а именно, достигнуто предельное значение температуры газов за турбиной, по которому и формируется предупредительная сигнализация. Как правило, причиной подобного рода события может быть сочетание различных факторов, таких, как износ деталей, увеличение зазоров по рабочим лопаткам компрессора и турбины, загрязнение проточной части. На основе этих данных формируется предварительная оценка технического состояния.
Кроме того, например, в логическом блоке трендового контроля (фиг. 3) может быть представлено поле рабочих точек отображенных за определенное время до достижения параметром предельного значения, что позволяет проводить ретроспективную оценку работы оборудования. Рядом с координатным полем формируется временной тренд отклонений рабочих точек от эталонных параметров. На этих же графиках трендов отображаются метки событий, таких как, достижения параметром предупредительной и аварийной границы.
Оператор, следя за перемещением рабочей точки в поле допустимого значения параметра, а также обращаясь в текущий конкретный момент времени к ретроспективе положения этой рабочей точки и ее тренду -скорости перемещения в поле допустимого значения, например, за несколько часов/ дней может спрогнозировать время работы газотурбинной установки до достижения параметром предупредительной и аварийной границ и принять решение о целесообразности продолжения эксплуатации.
Таким образом, разработанная система обеспечивает удаленный мониторинг эксплуатационных параметров в реальном времени, проведение оперативной оценки состояния газотурбинной установки в реальном времени и обеспечивает безопасную эксплуатацию ГТУ по фактическому техническому состоянию.