CN203965372U

CN203965372U - 用于测量涡轮机系统中的结垢的系统

Info

Publication number: CN203965372U
Application number: CN201320851247.5U
Authority: CN
Inventors: S.埃卡纳亚克; A.I.西皮奥; P.S.迪马斯焦; D.J.戴维斯
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2023-12-20
Also published as: US20140174163A1; EP2746746A2; EP2746746A3; JP2014122619A

Abstract

本实用新型提供用于测量涡轮机系统中的结垢的系统，所述系统包括布置于压缩机进口嘴中的电导率电阻传感器。压缩机结垢的程度与由电导率电阻传感器测量出的电阻的变化相关联。电阻变化的测量结果被转化成结垢标记并且并且用于触发对压缩机的清洁。

Description

用于测量涡轮机系统中的结垢的系统

技术领域

本实用新型中所公开的主题总体涉及燃气涡轮机压缩机结垢(fouling)检测，并且更具体地涉及使用电导率/电阻传感器测量压缩机结垢的系统。

背景技术

涡轮机系统(包括燃气涡轮机)大体包括压缩机部段、一个或多个燃烧器、和涡轮机部段。典型地，压缩机部段对进口空气进行加压，经过加压的进口空气随后转向或反向流向燃烧器，在燃烧器处，经过加压的进口空气用于冷却燃烧器并且还提供用于燃烧过程的空气。在多燃烧器涡轮机中，燃烧器大体围绕涡轮机以环形阵列定位并且过渡管道连接每一个燃烧器的出口端与涡轮机部段的进口端，以将燃烧过程的热产物输送至涡轮机。

涡轮机系统的部件在其操作期间经受由于结垢而造成的损坏。结垢是压缩机部件上的材料累积。结垢由于颗粒粘附至翼型件和环表面而造成。造成结垢的颗粒典型地小于2至10μm。结垢可能造成气动外形发生变化，从而降低压缩机的效率，并且结垢可能显著地影响涡轮机系统的性能和热耗率。

为了保持压缩机操作效率，工业涡轮机系统操作者执行各种维护动作，典型地包括在线水洗、离线检测、离线水洗、和过滤器维护。能够通过离线检测和离线水洗来去除并且通过在线水洗来减慢结垢。在线水洗提供清洁压缩机而不使涡轮机系统停机的优点。当操作时间表不允许停机时间以便执行更有效的离线水洗时，在线水洗方法使涡轮机系统效率得以恢复。系统的水喷嘴可以定位在压缩机钟形嘴壳体上游处或者直接位于通向压缩机钟形嘴壳体的进口处。这些喷嘴在相对低速空气的区域内产生水滴喷雾。当操作时，喷雾被抽吸通过钟形嘴并且通过旋转的压缩机所产生的负压而被抽入压缩机进口中。

可理解地，如果过于频繁或过少地执行这些任务，则存在缺点。例如，过度在线水洗能够促进侵蚀，同时不足的在线水洗造成压缩机叶片上污垢物的累积增加。不可避免地，必须执行离线检测，从而需要造成停机时间的涡轮机停机和拆除。尽管离线检测是成本非常高的事件，但是无法及时执行这些检测能够对涡轮机造成损坏，例如由于点蚀而造成的压缩机叶片的解离。因此，涡轮机系统操作者依赖仔细安排的离线检测，以监测压缩机性能并且执行修复以避免破坏性事件。

当前并不存在可靠的用于直接测量压缩机结垢的系统。

实用新型内容

本实用新型提供了对直接测量压缩机结垢的问题的解决方案。

根据一个示例性非限制性实施例，本实用新型涉及一种结垢测量系统。该结垢测量系统包括布置于压缩机中的电导率传感器和由电导率传感器(conductivity sensor)产生电阻测量结果的检测器子系统。结垢测量系统还包括处理器，该处理器将电阻测量结果转化成结垢标记(indicia)。

其中，所述电导率传感器包括基体和一对电极；所述基体和所述一对电极暴露于通过所述压缩机的气流；所述基体包括高电阻表面导体。

其中，所述电导率传感器附接至压缩机壳。所述结垢测量系统还包括以阵列布置的额外的一个或多个电导率传感器。；所述电导率传感器布置在水洗器的下游。

在另一个实施例中，提供一种具有压缩机和压缩机壳的涡轮机系统。该涡轮机系统还包括布置于压缩机壳上的电导率传感器和用于测量电导率传感器的电阻变化的子系统。

其中，所述涡轮机系统还包括用于将所述电阻的变化转化成结垢标记的子系统；所述涡轮机系统还包括显示器，所述显示器适于显示所述结垢标记。

其中，所述涡轮机系统还包括处理器，所述处理器接收所述电导率传感器的所述电阻的变化、并且应用标定参数以将所述电阻的变化转化成结垢标记。所述处理器确定触发压缩机清洗的时间。

其中，所述电导率传感器包括布置于高电阻基体上的一对电极。所述电导率传感器暴露于通过所述压缩机的气流。所述涡轮机系统还包括布置于所述压缩机壳上的电导率传感器的阵列。

在另一个实施例中，一种用于测量涡轮机系统中的结垢的方法包括以下步骤：通过布置于涡轮机系统中的压缩机壳上的电导率传感器测量电阻以产生电阻测量结果；将结垢参数应用于电阻测量结果；以及将电阻测量结果转化成结垢标记。

所述方法还包括确定所述电阻测量结果的变化。

其中，通过所述电导率传感器测量电阻测量结果包括通过电导率传感器的阵列来测量电阻测量结果。

所述方法还包括在显示器中显示所述结垢标记。

所述方法还包括产生信号以触发压缩机清洗。

附图说明

通过下文结合附图对优选实施例更详细的描述，本实用新型的其它的特征和优点将变得显而易见，所述附图以举例的方式示出了本实用新型的某些方面的原理。

图1是具有结垢测量系统的示例性涡轮机系统的示意图。

图2是结垢传感器的实施例的示意图。

图3是结垢传感器的实施例的俯视图。

图4是结垢传感器的等效电路图。

图5是结垢传感器的备选实施例。

图6是来自图5的标记为图6的区域的详细视图。

图7是沿图5中的线A-A截取的结垢传感器的备选实施例的横截面。

图8是结垢测量系统的实施例的示意图。

图9是用于检测压缩机结垢的方法的流程图。

具体实施方式

本实用新型提供了对压缩机结垢的测量。该测量通过使用布置于压缩机进口嘴处和/或压缩机级之间的电导率/电阻传感器(conductivity/resistance sensor)来完成。造成结垢的颗粒以与在压缩机翼型件上相同的速率沉积在电导率/电阻传感器上，由此使电阻减小。结垢的程度与电阻的减小相关。

图1是涡轮机系统100的实施例的示意性上半部横截面图。涡轮机系统100包括压缩机组件102、燃烧器组件104、第一级涡轮机喷嘴106、涡轮机喷嘴冷却子系统108、涡轮机组件110和公共压缩机/涡轮机轴112。

在操作中，空气流过压缩机组件102并且压缩空气被供给至燃烧器组件104，燃烧器组件104与压缩机组件102流动连通。燃烧器组件104使用来自压缩机组件102的空气点燃并且燃烧燃料(例如，天然气和/或燃料油)，并且产生高温燃烧气体流。燃烧器组件104还与第一级涡轮机喷嘴106流动连通。涡轮机喷嘴冷却子系统108有利于第一级涡轮机喷嘴106的冷却。涡轮机组件110可旋转地联接到公共压缩机/涡轮机轴112并且驱动公共压缩机/涡轮机轴112，该公共压缩机/涡轮机轴112随后向压缩机组件102提供旋转动力，该压缩机组件102也可旋转地联接到公共压缩机/涡轮机轴112。在示例性实施例中，具有一个或多个燃烧器组件104。在下文的讨论中，除非另有说明，否则将仅讨论每一种部件中的一个。结垢测量系统120连接至压缩机壳125，并且布置成使得结垢测量系统120的至少一部分暴露于通过压缩机进口嘴127、并且/或者位于压缩机组件102中的压缩机级之间的气流。

结垢测量系统120的实施例示于图2和图3中。结垢测量系统120包括电导率/电阻传感器121，该电导率/电阻传感器121附接至压缩机壳125。电导率/电阻传感器121是不贵的，并且属于多种常见系统中所使用的类型。电导率/电阻传感器121包括连接部件130，该连接部件130适于连接至压缩机壳125。连接部件130还支承平坦的非导电基体135，该连接部件130具有第一电极140和第二电极145。如图2中所示，第一电极140和第二电极145间隔开，并且仅通过平坦的非导电基体135连接。第一电极140和第二电极145连接至信号线150，该信号线150随后连接至读数器155和交流电流源160。

图4中示出了电导率/电阻传感器121的等效测量电路167。该等效测量电路包括电源170和检测器175。该电路包括信号接线电阻180(R₁)、基体电阻185(R_2a)和表面电阻190(R_2b)。表面电阻190随着结垢增加而减小。总电阻195(R_T)可以通过下式计算：

R_T＝R₁+R₂，其中

R₂＝R_2aR_2b/(R_2a+R_2b)

结垢测量系统120可以布置于压缩机组件102的压缩机进口嘴127处以及/或者压缩机级之间的气流中。随着时间过去，造成结垢的颗粒沉积在平坦的非导电基体135上，由此使表面电阻190(R_2b)减小。因此，总电阻195(R_T)的改变是压缩机组件102中结垢程度的函数。通过测量跨过平坦的非导电基体135产生的电压降，来测量平坦的非导电基体135和沉积在平坦的非导电基体135上的颗粒的电导率。使来自电路部分的电流通过平坦的非导电基体135和沉积在平坦的非导电基体135上的颗粒，来测量第一电极140与第二电极145之间的电压降。

图5、图6和图7中示出了圆柱形传感器200，该圆柱形传感器200可以附接至压缩机壳125。图5是圆柱形传感器200的透视图，其中压缩机壳125被部分地剖切。图7是沿图5中的线A-A截取的圆柱形传感器200的横截面。圆柱形传感器200布置于压缩机进口嘴127中。圆柱形传感器200包括连接部件215、下部帽220、高电阻表面导体225、和端帽230。第一电极235、和第二电极240布置于圆柱形传感器200内部。端帽230与高电阻表面导体225之间的接口可以是扩展接口245，以改进对表面结垢的敏感度(示于图6中)。该灵敏度的提高是通过使暴露于形成在高电阻表面225上的结垢的第一电极235与第二电极240之间的相对面积增大来实现的。第一电极235和第二电极240连接至信号线250。圆柱形传感器200的等效电路与电导率/电阻传感器的等效电路相同，并且结垢的程度能够与跨过高电阻表面导体225测量出的电阻的减小相关。

在操作中，圆柱形传感器200和电导率/电阻传感器121可以布置于压缩机进口嘴127或者任何其后的级中。在电导率/电阻传感器121的情况下，在第一电极140与第二电极145之间跨过平坦的非导电基体135提供电流。通过读数器165测量电阻。可以通过确定为保持通过传感器的电压降的预定值而必须通过圆柱形传感器200和电导率/电阻传感器121的电流的值来测量电阻或电导率。随着时间过去，颗粒沉积在平坦的非导电基体135上，从而造成第一电极140与第二电极145之间的电阻减小。电阻的减小与结垢的程度相关。在圆柱形传感器200的情况下，在第一电极235与第二电极240之间跨过高电阻表面导体225提供电流。随着颗粒粘附至高电阻表面导体225，电路的总电阻减小。

图8是结垢测量系统251的示意图。结垢测量系统251包括一个或多个电导率传感器255。电导率传感器(多个电导率传感器)255向测量电阻模块265提供信号，并且将该信号转化成能够由处理模块270进行处理的输出。处理模块270利用基于模型的控制器和卡尔曼滤波器(Kalman filters)来处理测量出的电阻，并且向表征模块275提供输入。由结垢测量系统251的模型来获得基于模型的控制器。一种建模方法是使用被称为系统识别的数值方法。系统识别涉及从系统获取数据，并且随后对激励(stimulus)和响应数据进行数值分析以估计系统的参数。处理模块270可以利用参数识别技术(例如，卡尔曼滤波、跟踪滤波、回归映射(regression mapping)、神经映射(neural mapping)、逆向建模技术(inverse modeling techniques)、或其组合)来识别数据的移位。可以通过经过改型的卡尔曼滤波器、扩展的卡尔曼滤波器、或者其它的滤波算法来进行滤波，或者备选地，可以通过其它形式的平方(n-输入、n-输出)或者非平方(n-输入、m-输出)调节器来进行滤波。表征模块275将结垢的特征表示成测量出的电导率或电阻的变化的函数。表征模块(characterization module)275可以接收使电阻与结垢程度相关的标定输入280。可以在生产设施或现场进行标定(Calibration)。表征模块275还可以接收距上一次离线水洗285的时间作为输入。来自表征模块275的输出可以被提供给显示模块295，例如图形用户界面。显示模块295的输出300可以是对压缩机清洗的推荐或触发。

结垢测量系统251可以被集成到较大的控制系统中，例如常规的General Electric Speedtronic^TM Mark VI涡轮机系统控制系统。SpeedTronic^TM控制器监测与涡轮机系统相关联的多个传感器以及其它仪器。除了控制某些涡轮机功能(例如燃料流速)，SpeedTronic^TM控制器还由其涡轮机传感器产生数据并且提供该数据以用于显示给涡轮机操作者。可以使用产生数据图表和其它数据表示的软件来显示数据，例如General Electric Cimplicity^TM HMI软件产品。

Speedtronic^TM控制系统是包括微处理器的计算机系统，所述微处理器执行程序以使用传感器输入和来自人类操作员的指令来控制涡轮机系统的操作。控制系统包括可以通过软件或者通过硬件逻辑电路实施的逻辑单元，例如取样与保持、和与差单元。例如，由控制系统处理器产生的命令使得涡轮机系统上的致动器调节向燃烧室供给燃料的燃料控制系统、设定通向压缩机的进口导向叶片、以及调节涡轮机系统上的其它控制设定。

控制器可以包括计算机处理器和使用由处理器执行的各种算法将传感器读数转化成数据的数据存储器。通过算法产生的数据指示涡轮机系统的各种操作条件。数据可以出现在操作者显示器上，例如电联接到操作者显示器的计算机工作站。显示器和/或控制器可以使用软件来产生数据显示和数据打印输出，例如General Electric Cimplicity^TM数据监测和控制软件应用。

图9中示出了根据一个实施例测量涡轮机系统中的结垢的方法350。该方法350通过结垢测量系统251实施。

在步骤355中，该方法350通过布置于涡轮机系统中的壳上的电导率传感器255(或者电导率传感器的阵列)来测量电阻。

在步骤360中，该方法350确定电阻测量结果的变化。

在步骤365中，该方法350将结垢参数应用于电阻测量结果。

在步骤370中，该方法350将电阻测量结果转化成结垢标记

在步骤375中，该方法350在显示模块295中显示结垢标记。

在步骤380中，该方法350产生信号以触发压缩机清洗。

除非具体说明，否则当术语的定义与术语常用的意义不同时，申请人意在利用下文提供的定义。

本说明书中所使用的术语仅为了描述特定实施例的目的并且不期望对本实用新型构成限制。除非具体说明，否则当术语的定义与术语常用的意义不同时，申请人意在利用本说明书中所提供的定义。除非上下文另有清楚的说明，否则单数形式“一个”旨在也包括复数形式。应当理解，尽管术语“第一”、“第二”等可以用于描述多个元件，但是这些元件不应当受到这些术语的限制。这些术语仅仅用于区分一个元件与另一个元件。术语“和/或”包括相关所列物件中的任何物件、和所有物件、一个或多个物件的组合。词语“联接到”和“与……相联接”构想了直接或间接的联接。

本说明书使用例子对本实用新型进行了公开(其中包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实施本实用新型(其中包括制造和使用任何装置或系统并且执行所包含的任何方法)。本实用新型的可专利范围通过权利要求进行限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其它的例子。如果这种其它的例子具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果这种其它的例子包括等同结构元件，则期望这种其它的例子落入权利要求的范围内。

Claims

1.一种结垢测量系统，所述结垢测量系统包括：

电导率传感器，所述电导率传感器布置于压缩机中；

检测器子系统，所述检测器子系统由所述电导率传感器产生电阻测量结果；以及

处理器，所述处理器将所述电阻测量结果转化成结垢标记。

2.根据权利要求1所述的结垢测量系统，其特征在于，所述电导率传感器包括基体和一对电极。

3.根据权利要求2所述的结垢测量系统，其特征在于，所述基体和所述一对电极暴露于通过所述压缩机的气流。

4.根据权利要求3所述的结垢测量系统，其特征在于，所述基体包括高电阻表面导体。

5.根据权利要求1所述的结垢测量系统，其特征在于，所述电导率传感器附接至压缩机壳。

6.根据权利要求1所述的结垢测量系统，其特征在于，所述结垢测量系统还包括以阵列布置的额外的一个或多个电导率传感器。

7.根据权利要求1所述的结垢测量系统，其特征在于，所述电导率传感器布置在水洗器的下游。

8.一种涡轮机系统，所述涡轮机系统包括：

压缩机；

压缩机壳；

电导率传感器，所述电导率传感器布置于所述压缩机壳上；

子系统，所述子系统用于测量所述电导率传感器的电阻的变化。

9.根据权利要求8所述的涡轮机系统，其特征在于，所述涡轮机系统还包括用于将所述电阻的变化转化成结垢标记的子系统。

10.根据权利要求9所述的涡轮机系统，其特征在于，所述涡轮机系统还包括显示器，所述显示器适于显示所述结垢标记。

11.根据权利要求8所述的涡轮机系统，其特征在于，所述涡轮机系统还包括处理器，所述处理器接收所述电导率传感器的所述电阻的变化、并且应用标定参数以将所述电阻的变化转化成结垢标记。

12.根据权利要求11所述的涡轮机系统，其特征在于，所述处理器确定触发压缩机清洗的时间。

13.根据权利要求8所述的涡轮机系统，其特征在于，所述电导率传感器包括布置于高电阻基体上的一对电极。

14.根据权利要求8所述的涡轮机系统，其特征在于，所述电导率传感器暴露于通过所述压缩机的气流。

15.根据权利要求8所述的涡轮机系统，其特征在于，所述涡轮机系统还包括布置于所述压缩机壳上的电导率传感器的阵列。