燃气轮机高温部件故障早期预警研究

发布时间：2020-04-22 15:59

【摘要】：随着燃气轮机的初温越来越高,燃气轮机高温部件(包括燃烧系统和透平热通道)不但承受着极高的温度,还需要有很高的抗热机械疲劳、抗断裂强度、抗蠕变、抗腐蚀的性能,其制造及修复技术难度极高,是燃气轮机最关键的部件。一旦损坏将造成巨大的经济损失。因此燃气轮机高温部件故障早期预警的研究具有十分重要的意义,在故障发生的早期及时发现征兆,避免高温部件发生严重损坏。本文对高温部件故障早期预警方法开展了全面深入的研究。首先,研究分析燃气轮机高温部件故障早期预警面临的问题。研究发现燃气轮机高温部件故障早期预警的难点在于除了故障之外,燃气轮机的固有结构初装偏差、运行条件、燃气旋转、噪声都对排温分布有影响,造成排温分布正常模式的类内距过大。给出解决高温部件故障早期预警的技术路径是消除上述干扰对排温分布的影响,通过压缩类内距离来提高故障早期预警的检测性能。其次,建立了具有多火焰筒/多喷嘴结构的燃气轮机模型,并考虑了燃气轮机高温燃气在通道内的掺混及旋转效应。该模型能够反映典型高温部件故障对排温分布的影响,同时能够反映高温部件固有的初装结构偏差、运行条件、燃气旋转、噪声等对排温分布的影响,满足高温部件故障早期预警研究的需求。为后续燃气轮机高温部件故障早期预警研究奠定了基础。再次,定义了不随工况及环境变化,反映燃气轮机高温部件固有结构特性的相对排温偏离指数。提出了基于相对排温偏离指数的高温部件故障早期预警方法,该方法考虑了高温部件固有结构初装偏差,消除了工况及环境变化对排温分布的影响,并利用仿真数据和实际数据验证了方法的有效性。分析了噪声对高温部件故障早期预警的影响,研究了高温部件故障早期预警去噪方法。然后,提出了两种消除燃气旋转对高温部件故障早期预警检测影响的方法。基于量子粒子群的检测方法通过引入燃机轮机先验知识,估计了透平出口周向方向上连续的相对排温偏离指数,根据燃气旋转角度对排温进行修正。基于卷积神经网络的检测方法从原理上分析了卷积神经网络解决高温部件故障早期预警中燃气旋转问题的优势,并对检测结果进行了可视化分析。最后,给出完整的燃气轮机高温部件故障早期预警方法。并将本文提出的高温部件故障早期预警方法在实际中进行了应用。结果表明,由于有效的消除工况及环境变化、燃气旋转、噪声等干扰因素对排温的影响,本文提出的方法具有很强的灵敏性和鲁棒性,能够实现燃气轮机高温部件故障早期预警。
【图文】：

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化和管理的平台上，开展现代数字业务[91]。2011 年，GE 公司收购了专门为发电、油气和其他工业领域提供远程监控和诊断解决方案的 SmartSignal 公司。整合了 SmartSignal 公司成熟的监控和诊断技术，GE 公司检测和识别设备的异常运行，并基于异常情况提供潜在故障通知、诊断方面有了更出色的表现。2017 年 9 月，GE 启动了首届“Predix 星火计划”，10 月底推出了数字工业进化指数。Predix 平台原理如图 1-5 所示，它是全球首个专门为工业数据分析开发的云服务平台，。2017 年，英国 Rolls-Royce（RR）公司宣布正在建立 R2 数据实验室，通过使用机器学习，人工智能和一些新的分析手段对数据进行有效的信息挖掘，以节约成本。普惠在 2017 年 4 月推出了 MRO（航空发动机维护、维修和大修）服务平台 EngineWise，旨在利用大数据分析为全球运营商提供定制化个性化 MRO 服务支持。这种用于分析和优化的数字平台可以大大降低维修费用，提高盈利。例如，西南航空公司[92]和澳洲航空公司[93]通过和发动机制造商的合作在燃料成本方面节省了数百万美元。基于发动机模型、状态监测、诊断和预测的数字平台的开发和应用正引领着传统工业环境向数字时代的转变，其可用性和可比性具有巨大的前景。

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从而导致火焰筒出口周向温度分布不均匀。但是由于火焰筒出温度过高（H/J 级初温约 1500℃），目前常规的热电偶不能在如此恶劣的情下长时间工作。因此通常是利用监测燃气轮机透平出口排温来实现对燃气轮高温部件性能的检测。燃气轮机透平出口排温由均匀分布在透平出口周向通的若干个热电偶测得，，热电偶布置位置如图 1-7 所示。图 1-6 火焰筒多火焰筒结构Fig. 1-6 Multi-combustors architecture图 1-7 透平排温测量位置示意图Fig. 1-7 Schematic diagram of exhaust thermo-couples
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK478

【参考文献】