ОБНАРУЖЕНИЕ ОТКАЗА ВСЛЕДСТВИЕ КОКСОВАНИЯ ПОДШИПНИКА В ТУРБИННЫХ СИСТЕМАХ
DETECTION OF FAILURE DUE TO BEARING COKING IN TURBINE SYSTEMS

Область техники изобретения
Настоящее изобретение относится к области наблюдения и обнаружения отказа в турбинных системах, в частности, обнаружения отказов вследствие коксования подшипника в газовых/паровых турбинных системах.
Уровень техники
Типичные газовые турбины имеют два подшипника: передний подшипник (радиально-упорный подшипник) и задний подшипник (радиальный подшипник). Эти подшипники могут отказывать вследствие так называемого коксования масла. Основное повреждение происходит в кольцевом уплотнении вала и канавках, подшипник и полость для выпуска масла из корпуса подшипника забиваются. Скопление сажи может, например, быть вызвано отключением двигателя вследствие перегрева, ухудшившимся качеством масла, коксующегося в эксплуатации, нечастыми интервалами замены масла, вызывающими разложение масла в эксплуатации, утечками воздуха и газа и неисправными насосом/форсунками инжектора топлива.
Коксование подшипника (BRC) является одним из наиболее частых и опасных отказов турбины. К несчастью, можно обнаруживать его только посредством непосредственного осмотра подшипников. Таким образом, если существует либо аварийный останов турбины (т.е., ненормальное отключение турбины), либо обычный останов турбины (например, для технического обслуживания), наблюдающий инженер всегда проверяет, могут ли быть видны показатели BRC.
Любая газовая/паровая турбина оснащается большим числом датчиков, которые регистрируют множество важных физических параметров, например, скорость турбины, температуры и смещения подшипников. Зарегистрированные значения параметров используются системой управления турбиной.
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, коксование подшипника), затем устранение первопричины (например, очистка подшипников) и запуск турбины снова как можно скорее (например, минимизация часов простоя).
Для того чтобы определять BRC-отказ или его указатели, инженер может поступать двумя способами: Он может либо изучать график смещений подшипника, чтобы видеть, существуют ли некоторые резкие скачки в смещении, или он может проверять последовательность событий от системы управления, записанных прямо перед аварийным отключением/остановом турбины, чтобы увидеть, существует ли событие, указывающее "BRC-отказ". Однако, наблюдающий инженер типично отвечает за множество турбин, например, 20 турбин или более. Кроме того, эти турбины могут быть от различных поставщиков, т.е. могут быть сообщения с различным "текстом события", означающие "BRC-отказ". Кроме того, система управления может либо не сообщать о BRC-отказах вообще, либо может распознавать только некоторые колебания, например, "сильные смещения", которые вызывают аварийный останов турбины. К несчастью, системы управления не предоставляют каких-либо стандартных "ранних указателей" для BRC-отказов.
Таким образом, существует необходимость в простом и быстром способе обнаружения отказов вследствие коксования подшипников в турбинных системах.
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 вследствие коксования подшипника (т.е. отказа подшипника, вызванного коксования масла) в турбинной системе, турбинная система содержит подшипник, датчик скорости вращения турбины и датчик ускорения смещения подшипника. Способ содержит (a) получение отдельных значений измерений от каждого из датчика скорости вращения турбины и датчика ускорения смещения подшипника, (b) определение, в качестве первого условия, того превышают ли или равны значения измерений от датчика скорости вращения первому пороговому значению в течение первого периода времени, (c) вычисление характеристического значения на основе значений измерений от датчика ускорения смещения подшипника, соответствующих второму периоду времени, второй период времени является частью первого периода времени, (d) определение, в качестве второго условия, того, превышает ли вычисленное характеристическое значение второе пороговое значение, и (e) определение того, что отказ вследствие коксования подшипника произошел, если и первое условие, и второе условие удовлетворяются.
Этот аспект изобретения основывается на идее, что отказ вследствие коксования подшипника обнаруживается посредством определения того, удовлетворяются ли два условия, относящихся к значениям измерений от датчиков в турбинной системе. В качестве первого условия определяется, превышает ли или равна скорость вращения турбины первому пороговому значению в течение первого периода времени, т.е. была ли скорость вращения, по меньшей мере, равна первому пороговому значению в течение первого периода времени. В качестве второго условия определяется, превышает ли характеристическое значение, которое вычисляется на основе значений измерений от датчика ускорения смещения подшипника в течение второго периода времени, второе пороговое значение. Второй период времени является частью (т.е. подмножеством) первого периода времени. Таким образом, второй период времени может быть равен первому периоду времени, или он может быть более коротким периодом времени в первом периоде времени.
Другими словами, что касается первого условия, определяется, работала ли турбинная система с некоторой минимальной скоростью вращения в течение первого периода времени. Таким образом, определяется, работала ли турбинная система на некотором уровне, например, в установившемся режиме, в течение некоторого интервала (первого периода) времени.
Второе условие относится к поведению ускорения смещения подшипника в течение второго периода времени (в первом периоде времени). Более конкретно, определяется, превышает ли характеристическое значение, которое относится к этому поведению, второе пороговое значение.
Затем, если оба условия удовлетворяются, определяется, произошел ли отказ вследствие коксования в подшипнике.
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 характеристическое значение вычисляется посредством применения предварительно определенной функции, в частности, статистической функции, к значениям измерений от датчика ускорения смещения подшипника, соответствующего второму периоду времени.
Посредством применения предварительно определенной функции к значениям измерения характеристическое значение может указывать поведение значений измерений по времени.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения предварительно определенная функция выбирается из группы, состоящей из среднеквадратического отклонения значений измерений в течение второго периода времени, среднего значения для значений измерений в течение второго периода времени, экспоненциального среднего значения для значений измерений в течение второго периода времени и интеграла для значений измерений в течение второго периода времени.
Посредством вычисления среднеквадратического отклонения значений измерений, соответствующих второму периоду времени, характеристическое значение является указывающим степень вариативности значений измерений от датчика ускорения смещения подшипника.
Аналогично, среднее, экспоненциальное среднее и интеграл (Римана) для значений измерений характеризуют поведение значений измерений в течение второго периода времени.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения предварительно определенная функция является разницей между наибольшим значением измерения и наименьшим значением измерения от датчика ускорения смещения подшипника в течение второго периода времени.
В этом варианте осуществления характеристическое значение является указывающим фактический интервал времени или диапазон значений измерений в течение второго периода времени. Таким образом, большое характеристическое значение указывает, что значительные изменения в ускорении смещения произошли в течение второго периода времени.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения турбинная система дополнительно содержит дополнительный датчик ускорения смещения подшипника, и способ дополнительно содержит (a) получение значений измерений от дополнительного датчика ускорения смещения подшипника, (b) вычисление дополнительного характеристического значения на основе значений измерений от дополнительного датчика ускорения смещения подшипника, соответствующих второму периоду времени, (c) определение, в качестве третьего условия, того, превышает ли вычисленное характеристическое значение третье пороговое значение, и (d) определение того, что отказ вследствие коксования подшипника произошел, если и первое условие, и третье условие удовлетворяются.
В этом варианте осуществления вводится третье условие, аналогичное второму условию, но основанное на значениях измерений от дополнительного датчика ускорения смещения подшипника. В этом варианте осуществления возникновение отказа вследствие коксования подшипника определяется, если первое условие и одно из второго и третьего условий удовлетворяются.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения датчик ускорения смещения подшипника и дополнительный датчик ускорения смещения подшипника измеряют ускорение смещения подшипника в соответствующих ортогональных направлениях.
В этом варианте осуществления датчики ускорения смещения подшипника измеряют ускорение смещения в одном и том же подшипнике, но в различных (ортогональных) направлениях.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения турбинная система содержит дополнительный подшипник. Датчик ускорения смещения подшипника измеряет ускорение смещения подшипника, а дополнительный датчик ускорения смещения подшипника измеряет ускорение смещения дополнительного подшипника.
В этом варианте осуществления датчики ускорения смещения подшипника измеряют ускорение смещения в различных подшипниках в одной и той же турбинной системе.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения продолжительность первого периода времени равна, по меньшей мере, 30 минутам, а продолжительность второго периода времени равна, по меньшей мере, 10 минутам, в частности, около 20 минут.
Широкомасштабные эксперименты показали, что продолжительность первого периода, по меньшей мере, в 30 минут гарантирует, что турбинная система находится в установившемся режиме, когда внезапные изменения в ускорении(ях) смещения подшипника не должны ожидаться в нормальных (безаварийных) условиях. Кроме того, продолжительность второго периода времени около 20 минут показала обеспечение хорошего компромиссного соотношения между ложными аварийными сигналами и нераспознаваниями сигналов.
И первый период времени, и второй период времени могут, в частности, составлять так называемые скользящие окна 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 первый период времени и второй период времени заканчиваются в одно и то же время.
Другими словами, если первый период времени является последними x минутами, тогда второй период времени является последними y минутами, где y <= x.
Согласно второму аспекту изобретения предоставляется устройство для обнаружения отказа вследствие коксования подшипника в турбинной системе, турбинная система содержит подшипник, датчик скорости вращения турбины и датчик ускорения смещения подшипника. Устройство содержит (a) блок для получения отдельных значений измерений от каждого из датчика скорости вращения турбины и датчика ускорения смещения подшипника, (b) блок для определения, в качестве первого условия, того, превышают ли или равны значения измерений от датчика скорости вращения первому пороговому значению в течение первого периода времени, (c) блок для вычисления характеристического значения на основе значений измерений от датчика ускорения смещения подшипника, соответствующих второму периоду времени, второй период времени является частью первого периода времени, (d) блок для определения, в качестве второго условия, того, превышает ли вычисленное характеристическое значение второе пороговое значение, и (e) блок для определения того, что отказ вследствие коксования подшипника произошел, если и первое условие, и второе условие удовлетворяются.
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 подшипник, датчик скорости вращения турбины и датчик ускорения смещения подшипника. Система содержит (a) блок связи для приема значений измерений от датчика скорости вращения турбины и датчика ускорения смещения подшипника 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 вследствие коксования подшипника 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 вследствие коксования подшипника в турбинной системе.
В этом варианте осуществления изобретения блок уведомления передает уведомляющее сообщение оператору соответствующей турбинной системы в случае отказа вследствие коксования подшипника, так что оператор может предпринимать необходимое действие.
Предпочтительно, уведомляющее сообщение может содержать различную информацию, такую как ID турбины, ID подшипника, 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 вследствие коксования подшипника (т.е. отказа подшипника, вызванного коксованием смазочного масла) в турбинной системе согласно варианту осуществления изобретения. Более конкретно, турбинная система, т.е. газовая/паровая турбина, содержит, по меньшей мере, один подшипник, датчик скорости вращения турбины и, по меньшей мере, один датчик ускорения смещения подшипника.
Способ 100 начинается на этапе 102, когда отдельные значения измерений от каждого из датчика скорости вращения турбины и датчика ускорения смещения подшипника получаются. Значения измерений от каждого отдельного датчика типично имеют форму последовательности значений измерений (или выборок), разделенных по времени предварительно определенным интервалом, таким как 1 секунда или 1 минута.
На этапе 104 определяется, в качестве первого условия, превышают ли или равны значения измерений от датчика скорости вращения первому пороговому значению, такому как 9000 об/мин, в течение первого периода времени, такого как последние 30 минут работы. Другими словами, первое условие удовлетворяется, если турбина работала в установившемся режиме со скоростью вращения, равной или выше первого порогового значения, в течение первого периода времени. Если первое условие не удовлетворяется, способ продолжается на этапе 112, когда определяется, что отказ вследствие коксования подшипника не произошел. Если первое условие удовлетворяется, способ продолжается на этапе 106.
На этапе 106 характеристическое значение вычисляется на основе значений измерений от датчика ускорения смещения подшипника в течение второго периода времени. Второй период времени является частью первого периода времени, таким как последние 10 или 20 минут работы. Характеристическое значение указывает поведение ускорения смещения в течение второго периода времени. В частности, характеристическое значение может быть вычислено как среднеквадратическое отклонение, среднее значение, экспоненциальное среднее значение или интеграл для значений измерений в течение второго периода времени или как разница между наибольшим значением измерения и наименьшим значением измерения в течение второго периода времени.
2
Затем, на этапе 108, определяется, в качестве второго условия, превышает ли вычисленное характеристическое значение второе пороговое значение, такое как 5 мм/с. Если второе условие не удовлетворяется, способ продолжается на этапе 112, когда определяется, что отказ вследствие коксования подшипника не произошел. Если второе условие удовлетворяется, способ продолжается на этапе 110, когда определяется, что отказ вследствие коксования подшипника произошел. В последнем случае соответствующие меры предпринимаются, чтобы уведомлять оператора турбинной системы об отказе, например, посредством активации тревожного сигнала, отправки сообщения или любым другим подходящим образом.
Предпочтительно, способ 100 повторяется на более поздней стадии, например, после 1 минуты, 3 минут, 5 минут или 10 минут, как часть непрерывного наблюдения турбинной системы.
Следует отметить, что возможны различные модификации способа 100. В частности, второе условие может быть проверено одновременно с первым условием. Кроме того, дополнительные условия, относящиеся к аналогичным характеристическим значениям для дополнительных датчиков ускорения смещения, могут быть добавлены. Такие дополнительные датчики ускорения смещения могут, в частности, быть сконфигурированы, чтобы измерять ускорение смещения в других направления и/или для дополнительных подшипников. Кроме того, способ 100, модифицированный или нет, может, конечно, выполняться параллельно или последовательно для любого числа турбин.
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 датчика скорости вращения турбины и, по меньшей мере, одного датчика ускорения смещения подшипника 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, что отказ вследствие коксования подшипника произошел 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 может быть предпринято правильное действие, т.е., очистка закоксованного подшипника.
Соответственно, оператор установки может полагаться на уведомление в случае отказа вследствие коксования подшипника в одной из турбин установки. Таким образом, трудоемкая работа, ассоциированная с изучением печатных кривых смещения подшипника или ненадежных сообщений от контроллеров C1, C2, C3, больше не является необходимой, и серьезное повреждение турбин может быть предотвращено.
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