СИСТЕМА ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЕКЦИЙ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ (ВАРИАНТЫ)

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Изобретение, описанное в настоящем документе, относится к паровым турбинам, в частности к системам виртуальных датчиков и к недорогим способам оценки эффективности секций паровых турбин.

[0002] Крупные системы паротурбинных генераторов требуют больших капиталовложений от их владельцев, и экономическая выгода от них для владельцев зависит от тепловой эффективности, с которой работают паровые турбины. Владельцы крупных паротурбинных генераторов заинтересованы в поддержании рабочих параметров системы как можно ближе к оптимальному набору рабочих параметров, который рассчитывают при разработке системы и/или определяют во время эксплуатационных испытаний, предваряющих монтаж системы. Кроме того, со временем может происходить ухудшение характеристик вследствие износа внутренних частей или вследствие других эксплуатационных факторов.

[0003] Как правило, паровые турбины оснащены приборами, предназначенными для управления и защиты. Однако стандартный набор приборов для паровых турбин часто не включает инструментарий (датчики температуры, давления, потока и т.п.), необходимый для измерения характеристик в непрерывном режиме. Следовательно, пользователи, как правило, получают периодический "снимок" (обычно один раз в год) с использованием дорогостоящих высокоточных инструментов и ресурсов. Это также накладывает ограничения на производство энергии паровой турбиной в штатном режиме и, соответственно, электростанцией, вследствие требований изоляции турбины и процедурных требований упомянутой проверки на точность.

В заявке на патент США №2015/0182576 раскрыта система для оценки эффективности секции паровой турбины, включающая по меньшей мере одно вычислительное устройство, сконфигурированное для оценки эффективности секции паровой турбины путем выполнения действий, включающих определение набора данных измерений, полученных непосредственно от набора датчиков на паровой турбине.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] Описаны системы и способы оценки эффективности секции паровой турбины. Упомянутые системы и способы включают определение множества данных измерений, получаемых непосредственно от набора датчиков на паровой турбине, определение набора вычисленных данных, связанных с измерениями, которые не могут быть получены непосредственно от упомянутого набора датчиков, и оценку эффективности упомянутой секции с использованием упомянутого набора данных измерений и упомянутого набора вычисленных данных. В упомянутых описанных способах для оценки эффективности паровых турбин, когда не доступны все необходимые физические датчики, используют физические модели в сочетании с методами нелинейной фильтрации. Упомянутые модели описывают поведение различных компонентов электростанции, включая секции паровой турбины, впускные и перепускные трубы, точки слияния потоков, впускные и регулировочные клапаны.

[0005] В первом аспекте настоящего изобретения предложена система, включающая: по меньшей мере одно вычислительное устройство, сконфигурированное для оценки эффективности секции паровой турбины путем выполнения действий, включающих: определение набора данных измерений, полученных непосредственно от набора датчиков на паровой турбине, при этом упомянутые данные измерений включают: температуру пара и давление на входе первой секции, температуру пара и давление на входе второй секции, температуру металла на выходе второй секции, и температуру пара и давление во впускной трубе третьей секции; определение набора вычисленных данных, связанных с измерениями, которые не могут быть получены непосредственно от упомянутого набора датчиков, при этом упомянутый набор вычисленных данных включает поток основного пара первой секции, поток основного пара второй секции, поток уплотняющего пара, поток пара впускной трубы третьей секции, давление пара и температуру на выходе первой секции, температуру пара и давление перепускной трубы на выходе второй секции; и оценку эффективности второй секции с использованием упомянутого набора данных измерений и набора вычисленных данных. В вариантах осуществления изобретения, упомянутая оценочная эффективность включает отношение фактического перепада энтальпии в упомянутой второй секции к перепаду энтальпии, соответствующему изоэнтропическому расширению, а перепад энтальпии во второй секции представляет собой разность между энтальпией на входе второй секции и энтальпией на выходе второй секции.

[0006] Во втором аспекте настоящего изобретения предложена система, включающая: по меньшей мере одно вычислительное устройство, сконфигурированное для оценки эффективности секции промежуточного давления (intermediate pressure, IP) паровой турбины путем выполнения действий, включающих: прием измеренных данных по меньшей мере от одного датчика на паровой турбине, при этом упомянутые измеренные данные включают: температуру пара и давление на входе секции высокого давления (high pressure, HP), температуру металла на выходе секции промежуточного давления (IP), температуру пара и давление на входе секции промежуточного давления (IP) и температуру пара и давление во впускной трубе секции низкого давления (low pressure, LP); применение по меньшей мере одного алгоритма для вычисления по меньшей мере одного из следующего: потока основного пара секции высокого давления (HP), потока основного пара секции промежуточного давления (IP), потока уплотняющего пара, входного потока пара секции промежуточного давления (IP), давления пара и температуры на выходе секции высокого давления (HP), температуры пара перепускной трубы и давления перепускной трубы на выходе секции промежуточного давления (IP), а также вычисление оценочной эффективности секции промежуточного давления (IP) с использованием упомянутых измеренных данных от упомянутых датчиков и упомянутых вычисленных значений, полученных с помощью упомянутого по меньшей мере одного алгоритма, причем упомянутая оценочная эффективность включает отношение фактического перепада энтальпии в секции промежуточного давления (IP) к перепаду энтальпии, соответствующему изоэнтропическому расширению.

В вариантах осуществления изобретения, упомянутый по меньшей мере один алгоритм включает модель для вычисления потока основного пара секции высокого давления (HP) и потока основного пара секции промежуточного давления (IP) как функции давления пара на входе секции промежуточного давления (IP), температуры пара на входе секции промежуточного давления (IP), температуры металла на выходе секции промежуточного давления (IP), и по меньшей мере одного из следующего: геометрии парового тракта, естественного износа компонентов турбины со временем, механического износа компонентов турбины со временем, условий эксплуатации турбины и дрейфа показаний приборов;

упомянутый по меньшей мере один алгоритм включает модель для вычисления потока утечки пара как функции потока основного пара секции высокого давления (HP), потока основного пара секции промежуточного давления (IP) и по меньшей мере одного из следующего: геометрии парового тракта, естественного износа компонентов турбины со временем, механического износа компонентов турбины со временем, условий эксплуатации турбины и дрейфа показаний приборов;

упомянутый по меньшей мере один алгоритм вычисления входного потока пара низкого давления (LP) использует значения, определяемые с помощью набора датчиков температуры и давления, расположенных до и после впускного клапана низкого давления (LP), при этом поток впускаемого пара низкого давления (LP) является также функцией по меньшей мере одного из следующего: геометрии трубопровода, естественного износа компонентов турбины со временем, механического износа компонентов турбины со временем, условий эксплуатации турбины и дрейфа показаний приборов;

упомянутый по меньшей мере один алгоритм включает модель для вычисления давления перепускной трубы на выпуске секции промежуточного давления (IP), при этом упомянутое давление перепускной трубы является функцией давления после впускного клапана низкого давления (LP), по направлению потока, вычисленного входного потока пара низкого давления (LP) и по меньшей мере одного из следующего: геометрии парового тракта, естественного износа компонентов турбины со временем, механического износа компонентов турбины со временем, условий эксплуатации турбины и дрейфа показаний приборов; и

упомянутый по меньшей мере один алгоритм включает модель для вычисления температуры перепускной трубы на выходе секции промежуточного давления (IP), при этом упомянутая температура перепускной трубы является функцией температуры металла на выходе секции промежуточного давления (IP), геометрии перепускной трубы и по меньшей мере одного из следующего: геометрии парового тракта, естественного износа компонентов турбины со временем, механического износа компонентов турбины со временем, условий эксплуатации турбины и дрейфа показаний приборов.

[0007] В третьем аспекте настоящего изобретения предложена система, включающая: паровую турбину; набор датчиков, связанных с упомянутой паровой турбиной; и по меньшей мере одно вычислительное устройство, сконфигурированное для оценки эффективности секции промежуточного давления (IP) паровой турбины путем выполнения действий, включающих: прием измеренных данных от упомянутого набора датчиков, при этом упомянутые измеренные данные включают: температуру пара и давление на входе секции высокого давления (HP), температуру металла на выходе секции промежуточного давления (IP), температуру пара и давление на входе секции промежуточного давления (IP), а также температуру пара и давление во впускной трубе секции низкого давления (LP); применение по меньшей мере одного алгоритма для вычисления по меньшей мере одного из следующего: потока основного пара секции высокого давления (HP), потока основного пара секции промежуточного давления (IP), потока уплотняющего пара, входного потока пара секции промежуточного давления (IP), давления пара и температуры на выходе секции высокого давления (HP), температуры пара перепускной трубы и давления перепускной трубы на выходе секции промежуточного давления (IP), а также вычисление оценочной эффективности секции промежуточного давления (IP) с использованием упомянутых измеренных данных от упомянутых датчиков и упомянутых вычисленных значений, полученных с помощью упомянутого по меньшей мере одного алгоритма, причем упомянутая оценочная эффективность включает отношение фактического перепада энтальпии в секции промежуточного давления (IP) к перепаду энтальпии, соответствующему изоэнтропическому расширению.

В вариантах осуществления изобретения, упомянутый по меньшей мере один алгоритм включает модель для вычисления потока основного пара секции высокого давления (HP) и потока основного пара секции промежуточного давления (IP) как функции давления пара на входе секции промежуточного давления (IP), температуры пара на входе секции промежуточного давления (IP), температуры металла на выходе секции промежуточного давления (IP), и по меньшей мере одного из следующего: геометрии парового тракта, естественного износа компонентов турбины со временем, механического износа компонентов турбины со временем, условий эксплуатации турбины и дрейфа показаний приборов;

упомянутый по меньшей мере один алгоритм включает модель для вычисления потока утечки пара как функции потока основного пара секции высокого давления (HP), потока основного пара секции промежуточного давления (IP) и по меньшей мере одного из следующего: геометрии уплотнения, естественного износа компонентов турбины со временем, механического износа компонентов турбины со временем, условий эксплуатации турбины и дрейфа показаний приборов;

упомянутый по меньшей мере один алгоритм вычисления входного потока пара низкого давления (LP) использует значения, определяемые с помощью набора датчиков температуры и давления до и после впускного клапана низкого давления (LP), при этом поток впускаемого пара низкого давления (LP) является также функцией по меньшей мере одного из следующего: геометрии трубы, естественного износа компонентов турбины со временем, механического износа компонентов турбины со временем, условий эксплуатации турбины и дрейфа показаний приборов;

упомянутый по меньшей мере один алгоритм включает модель для вычисления давления перепускной трубы на выходе секции промежуточного давления (IP), при этом упомянутое давление перепускной трубы является функцией давления после впускного клапана низкого давления (LP), по направлению потока, вычисленного потока впускаемого пара низкого давления (LP) и по меньшей мере одного из следующего: геометрии парового тракта, естественного износа компонентов турбины со временем, механического износа компонентов турбины со временем, условий эксплуатации турбины и дрейфа показаний приборов; и

упомянутый по меньшей мере один алгоритм включает модель для вычисления температуры перепускной трубы на выходе секции промежуточного давления (IP), при этом упомянутая температура перепускной трубы является функцией температуры металла на выходе секции промежуточного давления (IP), геометрии перепускной трубы и по меньшей мере одного из следующего: геометрии парового тракта, естественного износа компонентов турбины со временем, механического износа компонентов турбины со временем, условий эксплуатации турбины и дрейфа показаний приборов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0008] Эти и другие отличительные особенности настоящего изобретения станут полностью понятны из дальнейшего подробного описания различных аспектов настоящего изобретения, рассматриваемых в комбинации с приложенными чертежами, где изображены различные варианты его осуществления, среди которых:

[0009] на фиг. 1 показано схематическое изображение отдельных секций паровой турбины.

[0010] на фиг. 2 показан пример осуществления настоящего изобретения, включающий систему для оценки эффективности секций паровой турбины в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.

[0011] Следует отметить, что чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Чертежи предназначены исключительно для иллюстрации типичных аспектов настоящего изобретения и, следовательно, не должны считаться ограничивающими рамки настоящего изобретения. На чертежах аналогичными числовыми позициями представлены аналогичные элементы.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0012] Термин "виртуальные датчики" в настоящем документе используются для описания систем и способов, рассмотренных в настоящем документе и предназначенных для оценки эффективности паровых турбин, когда физические датчики недоступны. Термин "виртуальные датчики" относится к применению физических моделей в сочетании с методами нелинейной фильтрации для оценки значений, не измеряемых непосредственно. Упомянутые модели описывают поведение различных компонентов электростанции, включая все секции паровой турбины, впускные и перепускные трубы, точки слияния потоков, впускные и регулировочные клапаны.

[0013] В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения систему и способы, описанные в данном документе, применяют для оценки эффективности секции промежуточного давления (Intermediate Pressure, IP) паровой турбины. Следует понимать, что способы, рассмотренные в настоящем документе, могут быть применимы также для оценки эффективности других секций паровой турбины, например секции низкого давления (Low Pressure, LP) или секции высокого давления (High Pressure, HP).

[0014] На фиг. 1 показано схематическое изображение отдельных секций паровой турбины 100. На фиг. 1 для представления различных значений, либо измеренных набором датчиков 103 на паровой турбине 100, либо полученных от "виртуальных датчиков" с использованием алгоритмов в соответствии с предшествующим описанием, использованы следующие аббревиатуры:

P_HPin: давление на входе секции высокого давления (HP)

T_HPin: температура пара на входе секции высокого давления (HP)

Р_НРех: давление на выходе/выпуске секции высокого давления (HP)

Т_НРех: температура пара на выходе/выпуске секции высокого давления (HP)

P_IPin: давление на входе секции промежуточного давления (IP)

T_IPin: температура пара на входе секции промежуточного давления (IP)

P_LPad_u: давление перед впускной трубой низкого давления (LP), по направлению потока

T_LPad_u: температура перед впускной трубой низкого давления (LP), по направлению потока

P_LPad_d: давление после впускной трубы низкого давления (LP), по направлению потока

T_IPmetal_ex: температура металла на выходе/выпуске секции промежуточного давления (IP)

Р_ХО: давление пара перепускной трубы

Т_ХО: температура пара перепускной трубы

[0015] В соответствии с фиг. 1 специалистам в настоящей области техники понятно, что пар проходит через паровую турбину 100 из секции 102 высокого давления (HP) через секцию 104 промежуточного давления (IP) в секцию 106 низкого давления (LP). Источник 101 основного пара, источник 118 подогретого пара и вход 112 низкого давления (LP) являются тремя элементами генератора 116 пара с регенерацией тепла (Heat Recovery Steam Generation, HRSG), который подает пар в секцию 102 высокого давления (HP), в секцию 104 промежуточного давления (IP) и в секцию 106 низкого давления (HP). Пар попадает в секцию 102 высокого давления (HP) от источника 101 основного пара через вход 108 и затем выходит через выход/выпуск 110 секции высокого давления (HP) и попадает в подогреватель 118 для дальнейшего нагрева перед повторным впуском во вход 114 секции промежуточного давления (IP). Оттуда часть пара (поток утечки) из секции 102 высокого давления (HP) попадает в секцию 104 промежуточного давления (IP) через вход 114 секции промежуточного давления (IP). Кроме того, пар от источника 118 подогретого пара входит в секцию 104 промежуточного давления (IP) через вход 114 секции промежуточного давления (IP). Затем пар выходит из секции 104 промежуточного давления (IP) через выход/выпуск 120 секции промежуточного давления (IP) в смежную секцию, то есть в секцию 106 низкого давления (LP), через перепускную трубу 122. Пар утечки также покидает секцию 104 промежуточного давления (IP) и попадает в секцию 106 низкого давления (LP) через выход/выпуск 120 секции промежуточного давления (IP). Свежий пар на входе 124 секции низкого давления (LP) может добавляться через входную секцию 112 низкого давления (LP) генератора 116 HSRG через впускную трубу 112 низкого давления (LP) и перепускную трубу 122.

[0016] В соответствии с описанием в настоящем документе система и способ оценки эффективности секции промежуточного давления (IP) паровой турбины включает прием измеренных данных от множества доступных датчиков 103 и затем применение алгоритмов (то есть моделей) для получения каких-либо недоступных данных. Например, измеренные данные могут включать температуру пара и давление на входе секции высокого давления (HP), температуру металла на выходе секции промежуточного давления (IP), температуру пара и давление на входе секции промежуточного давления (IP), а также температуру пара и давление во впускной трубе секции низкого давления (LP). Затем предложен по меньшей мере один алгоритм для вычисления набора производных значений, включающий по меньшей мере одно из следующего: поток основного пара секции высокого давления (HP), поток основного пара секции промежуточного давления (IP), поток уплотняющего пара, входной поток пара секции промежуточного давления (IP), давление пара и температуру на выходе секции высокого давления (HP), температуру пара перепускной трубы и давление перепускной трубы на выходе секции промежуточного давления (IP). Специалистам в настоящей области техники следует понимать, что может быть обеспечено вычислительное устройство 126, которое может быть запрограммировано для вычисления упомянутого набора производных значений.

[0017] Упомянутые измеренные значения и производные (вычисленные) значения могут быть использованы для вычисления оценочной эффективности секции промежуточного давления (IP). Вычислительное устройство 126 может быть сконфигурировано для приема набора измеренных значений от набора датчиков 103 и для вычисления набора производных значений в соответствии с предшествующим описанием, и затем для использования указанных значений для вычисления оценочной эффективности. Эффективность секции промежуточного давления (IP), η_IP, вычисляют как отношение фактического перепада энтальпии в секции промежуточного давления (IP) к перепаду энтальпии, соответствующему изоэнтропическому расширению. Упомянутый фактический перепад энтальпии в секции промежуточного давления (IP) является разностью между энтальпией на входе секции промежуточного давления (IP) и энтальпией на выходе секции промежуточного давления (IP). Соответственно, эффективность секции промежуточного давления (IP), η_IP, может быть выражена в виде следующей формулы:

где n_IPbowl - энтальпия на входе секции промежуточного давления (IP), h_IPex - энтальпия на выходе (выпуске) секции промежуточного давления (IP), a h_IPexid - энтальпия на выпуске секции промежуточного давления (IP), соответствующая (идеальному) изоэнтропическому расширению, вычисленная на основе соответствующих энергетических балансов:

h_1stω_pk+h_HRHω_HRH=(ω_pk+ω_HRH)h_IPbowl

h_IPexω_IP=h_XO((ω_IP+ω_LPad)^_h_LPad-ω_LPad

где h_1st - энтальпия первой ступени (секция высокого давления (HP)), h_HRH - энтальпия после подогревателя, по направлению потока, h_XO - энтальпия перепускной трубы, a h_LPad - входная энтальпия низкого давления (LP) (выше по потоку, то есть непосредственно до перепада давления в клапане). При этом ω_pk представляет собой поток утечки уплотняющего пара, ω_HRH - поток пара после подогревателя, по направлению потока, ω_IP - поток пара на входе секции промежуточного давления (IP), a ω_LPad - впускной поток пара секции низкого давления (LP). Наконец, h_IPexid - энтальпия на выпуске секции промежуточного давления (IP), соответствующая (идеальному) изоэнтропическому расширению. Здесь неявно подразумевается, что паровая турбина работает в устойчивом состоянии.

[0018] Эффективность секции промежуточного давления (IP) может быть скорректирована с учетом протекания через клапан и трубы, утечки через уплотнение, естественного износа (например, отложений, эрозии из-за твердых частиц) и механического износа (например, трения, нагрева в результате трения о воздух и т.п.) в течение определенного периода времени, условий эксплуатации и/или калибровки приборов. Однако часто паровые турбины на объектах не имеют всех необходимых датчиков температуры, давления и потока пара. Таким образом, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения поток пара в секции может быть вычислен, то есть определен с использованием модели потока пара в секции. Модель потока пара в секции рассматривает многоступенчатую секцию паровой турбины как единое сопло, и для нового чистого блока она может быть откалибрована с применением данных приемочных испытаний и/или паспортных данных проекта. При этом упомянутая модель обладает способностью моделировать состояние турбины, заданное как, например (без ограничения перечисленным), события при функционировании, естественный износ (вызванный эрозией, отложениями и т.п.), механический износ (вызванный трением, нагревом вследствие трения о воздух и т.п.), периодические осмотры и ремонт, капитальный ремонт или дрейф показаний приборов со временем. Термин "трение" использован в настоящем документе для обозначения механического контакта между стационарными и вращающимися компонентами турбомашинного оборудования, а термин "аэродинамический нагрев" относится к локальному нагреву в определенной зоне секции паровой турбины.

[0019] Как показано приведенными выше уравнениями, для вычисления η_IP необходима следующая информация, которая может быть получена с применением моделей, поскольку каждое значение является функцией других, измеренных, значений. Например:

h_1st = f(давления и температуры на входе секции высокого давления (HP), геометрии парового тракта в секции высокого давления (HP) (например, расчетный поток для этого блока, температура и давление для нового чистого парового тракта), естественного износа компонентов турбины со временем (например, использование кривых ухода параметров продуктовой линейки паровых турбин), механического износа компонентов турбины в течение определенного периода времени (например, трение, нагрев в результате трения о воздух и т.п.), условий эксплуатации (например, зависящее от нагрузки, но устойчивое состояние), дрейф показаний приборов (например, дрейф показаний приборов в течение определенного периода времени));

ω_pk = f(геометрии уплотнения (например, расчетный поток для данного блока, температуры и давления для чистого нового уплотнения), естественного износа со временем, механического износа со временем, условий эксплуатации);

h_HRH = f(давления и температуры после подогревателя, по направлению потока, естественного износа со временем, механического износа со временем, условий эксплуатации, дрейфа показаний приборов);

ω_HRH = f(геометрии трубы и клапана (например, расчетный поток, температура и давление для трубы и клапана), специфики механизма, естественного износа со временем, механического износа со временем, условий эксплуатации);

h_IPbowl = f(давления и температуры на входе секции промежуточного давления (IP), геометрии парового тракта секции промежуточного давления (IP) (например, расчетный поток для этого блока, температура и давление для нового чистого парового тракта, естественного износа со временем, механического износа со временем, условий эксплуатации, дрейфа показаний приборов);

h_IPex = f(давления и температуры на выпуске секции промежуточного давления (IP), геометрии парового тракта секции промежуточного давления (IP), естественного износа со временем, механического износа со временем, условий эксплуатации, дрейфа показаний приборов);

ω_IP = f(геометрии парового тракта, естественного износа со временем, механического износа со временем, условий эксплуатации);

h_XO = f(давления и температуры в перепускной трубе, геометрии трубы и парового тракта, естественного износа со временем, механического износа со временем, условий эксплуатации, дрейфа показаний приборов);

h_LPad = f(давления и температуры на впуске секции низкого давления (LP), естественного износа со временем, механического износа со временем, условий эксплуатации, дрейфа показаний приборов); и

ω_LPad = f(геометрии трубы и клапана, естественного износа со временем, механического износа со временем, условий эксплуатации).

[0020] Другими словами, в алгоритме вычисления потока основного пара секции высокого давления (HP) используют значения, определенные датчиком давления пара на входе секции промежуточного давления (IP), датчиком температуры пара на входе секции промежуточного давления (IP), а в алгоритме вычисления потока утечки пара используют значения потока основного пара в секции высокого давления (HP) и потока основного пара в секции промежуточного давления (IP). В дополнение, алгоритм вычисления потока пара во впускной трубе секции низкого давления (LP) использует значения, определяемые набором датчиков температуры и давления, расположенных до и после впускного клапана секции низкого давления (LP). Алгоритм вычисления давления перепускной трубы на выпуске секции промежуточного давления (IP) использует модель, представляющую, что давление перепускной трубы является функцией давления после впускного клапана секции низкого давления (LP), по ходу потока, и вычисленного входного потока пара секции низкого давления (LP), при этом алгоритм вычисления температуры перепускной трубы на выпуске секции промежуточного давления (IP) использует факт того, что температура перепускной трубы является функцией температуры металла на выпуске секции промежуточного давления (IP) и геометрии перепускной трубы.

[0021] Один из примеров модели, которая может быть использована для вычисления недостающих измерений в соответствии с предшествующим описанием, имеет следующий вид:

где ω - поток пара в секции, p₁ - давление пара на входе, t₁ -температура пара на входе, δ₁ - плотность пара на входе, а p₂ - давление пара на выходе. K_stg представляет собой коэффициент расхода ступени, который может быть вычислен на основе паспортных значений ω, p₁, t₁ и p₂. Коэффициент K_stg вычисляют с использованием таких параметров, как давление и температура на входе секции высокого давления (HP), геометрия парового тракта секции высокого давления (HP) (например, расчетный поток для этого блока, температура и давление для нового чистого парового тракта), естественный износ компонентов турбины со временем (например, использование кривых ухода параметров продуктовой линейки паровых турбин), механический износ компонентов турбины в течение определенного периода времени (например, трение, нагрев в результате трения о воздух и т.п.), условия эксплуатации (например, зависящее от нагрузки, но устойчивое состояние), дрейф показаний приборов (например, дрейф показаний приборов в течение определенного периода времени). Данную модель получают в результате рассмотрения многоступенчатой секции паровой турбины как единого сопла. Подразумевается, что в данной модели в упомянутой секции присутствует перепад давления, то есть p₂/р₁<1.

[0022] Датчики 103 паровой турбины обычно также содержат датчики до и после впускного клапана, и указанные дополнительные датчики могут использоваться совместно с моделью клапана для вычисления потока впускной трубы низкого давления:

где ω - поток пара через клапан, p_u - давление пара на входе, f_u - температура пара на входе, δ_u - плотность пара на входе, а p_d - давление пара на выходе. C_v обозначает проводимость и является функцией размера отверстия клапана, в идеале, характеристики клапана, предоставленные поставщиком, должны быть использованы при вычислении. Если эта информация недоступна, допуская, что клапан полностью открыт во время нормальной работы, C_v может быть вычислен с использованием значений ω, p_u, f_u и p_d и для фактического перепада давления (p_u-p_d)/p_u. Как и прежде, неявно подразумевается, что в данной модели в клапане присутствует перепад давления, то есть p_u>p_d. Предполагается, что уплотняющий поток пропорционален потоку основного пара секции высокого давления (HP):

ω_pk=K_pkω_HP=fl(ω_HP),

где ω_pk обозначает поток утечки, ω_HP - поток в секции высокого давления (HP), K_pk представляет собой коэффициент потока утечки, вычисляемый как отношение между фактическим потоком утечки и фактическим потоком в секции высокого давления.

[0023] Как указано выше, измерения температуры и давления перепускной трубы также зачастую отсутствуют в рабочих условиях турбины. В таких ситуациях недостающее значение температуры может быть аппроксимировано с помощью измерений температуры металла на выпуске секции промежуточного давления (IP), значение которой эквивалентно введению (малой) постоянной системной ошибки в значение температуры пара, при стабильной работе. Давление пара перепускной трубы может быть получено посредством комбинирования модели клапана, которая оценивает входной поток низкого давления, и модели трубы, которая вычисляет перепад давления во впускной трубе низкого давления:

где ω - поток пара через трубу (аналогичен потоку пара через клапан), p_d - давление пара на входе, δ_d - плотность пара на входе, а p_XO - давление пара в перепускной трубе. Аналогично C_v, С_р представляет проводимость трубы и относится к протеканию пара между положениями выше по потоку и перепускной трубой, с перепадом давления между указанными двумя положениями. На новом блоке эта константа может быть откалибрована с помощью данных приемочных испытаний и/или паспортных данных проекта

[0024] Системы виртуальных датчиков и способы, описанные в настоящем документе, позволяют в непрерывном режиме получать рабочие данные паровой турбины на основе имеющихся данных, полученных в рабочих условиях, и их обработки посредством модели для оценки эффективности секции паровой турбины и, соответственно, позволяют осуществлять долгосрочное отслеживание характеристик паровых турбин. Долгосрочное отслеживание характеристик паровых турбин позволяет выполнять причинно-следственный анализ проблем парка паровых турбин и планировать (или переносить) отключения в парке паровых турбин. Предварительное планирование уменьшает периоды отключений и простоев, что дает повышение прибыли в результате более эффективной выработки энергии и снижения эксплуатационных затрат. Увеличение периода между отключениями увеличивает прибыль в результате более эффективной выработки энергии и повышает доход на инвестиции потребителя.

[0025] Следует понимать, что в то время как способы, описанные в настоящем документе, могут выполняться с использованием по меньшей мере одного вычислительного устройства 126, части способов, описанных в настоящем документе, или эти способы полностью, могут выполняться вручную. То есть, получение различных значений от набора датчиков 103, вычисление множества производных данных с использованием предложенных моделей и алгоритмов и вычисление эффективности секции паровой турбины могут выполняться вручную (например, оператором человеком). Также следует понимать, что процедуры, описанные в настоящем документе, могут, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, повторяться периодически (например, автоматически или путем вызова оператором) для сбора и/или сравнения данных, связанных с эффективностью различных секций паровой турбины 100.

[0026] Специалистам в данной области техники следует понимать, что системы и способы, описанные в настоящем документе, могут быть реализованы как система (или системы), способ (или способы) или компьютерный программный продукт (или продукты). В соответствии с этим варианты осуществления настоящего изобретения могут принимать форму полностью аппаратных вариантов осуществления настоящего изобретения, полностью программных вариантов осуществления настоящего изобретения (включая микропрограммное обеспечение, резидентное программное обеспечение, микрокод и т.п.) или вариантов осуществления настоящего изобретения, комбинирующих программные и аппаратные аспекты, которые в целом могут называться в настоящем документе как "схема", "модуль" или "система". При этом настоящее изобретение может принимать форму компьютерного программного продукта, реализованного на каком-либо материальном носителе с хранимым на нем программным кодом, пригодным для машинного использования.

[0027] Может быть использована любая комбинация из одного или более пригодных для машинного использования или машиночитаемых носителей. Пригодный для машинного использования или машиночитаемый носитель может представлять собой, без ограничения перечисленным, электронную, магнитную, оптическую, электромагнитную, инфракрасную или полупроводниковую систему, приспособление или устройство. Более конкретные примеры (не являющиеся исчерпывающим списком) машиночитаемого носителя могут включать следующее: электрическое соединение с использованием одного или более проводов, портативная компьютерная дискета, жесткий диск, память с произвольным доступом (random access memory, RAM), память в режиме "только для чтения" (read-only memory, ROM), перезаписываемая память в режиме "только для чтения" (erasable programmable read-only memory, EPROM или Flash-память), оптическое волокно, портативная память в режиме "только для чтения" на компакт-диске (compact disc read-only memory, CD-ROM), оптическое устройство хранения, среда передачи данных, например, поддерживающая Интернет или интранет, или магнитное устройство хранения. Следует отметить, что упомянутый пригодный к машинному использованию или машиночитаемый носитель может быть даже бумажным или другим подходящим носителем, на котором напечатана программа, так как программа может быть захвачена электронными средствами, путем, например, оптического сканирования бумаги или другого носителя и последующего компилирования, интерпретирования или иной обработки соответствующим способом, при необходимости, и затем хранения в памяти компьютера. В контексте настоящего документа пригодный к машинному использованию или машиночитаемый носитель может представлять собой любой носитель, способный содержать, хранить, передавать или переносить программу для ее использования системой, приспособлением или устройством исполнения инструкций, или в связи с ними. Пригодный к машинному использованию носитель может включать распространяющийся сигнал данных с пригодным к машинному использованию программным кодом, реализованным с его помощью, который передают либо в основной полосе частот, либо как часть несущей волны. Упомянутый пригодный к машинному использованию программный код может передаваться с использованием любого подходящего носителя, включая, но без ограничения перечисленным, беспроводные, проводные линии, оптоволоконный кабель, радиочастоту и т.п.

[0028] Компьютерный программный код для выполнения операций настоящего изобретения может быть написан на любой комбинации из одного или более языков программирования, включая объектно-ориентированные языки программирования, такие как Java, Smalltalk, C++ и т.п., и традиционные, процедурные языки программирования, такие как язык программирования "С" или аналогичные языки программирования. Программный код может исполняться полностью на компьютере пользователя, частично на компьютере пользователя, в качестве независимого пакета программного обеспечения, частично на компьютере пользователя и частично на удаленном компьютере, или полностью на удаленном компьютере или сервере. В последнем случае удаленный компьютер может быть связан с компьютером пользователя через сеть любого типа, включая локальную вычислительную сеть (local area network, LAN) или глобальную вычислительную сеть (wide area network, WAN), или соединение может осуществляться с внешним компьютером (например, через Интернет с использованием поставщика услуг Интернет).

[0029] Варианты осуществления настоящего изобретения описаны в настоящем документе со ссылками на шаги способа и/или операции, при этом следует понимать, что каждый шаг и/или операция могут быть реализованы с помощью инструкций компьютерной программы. Упомянутые инструкции компьютерной программы могут подаваться в процессор компьютера общего назначения, компьютера специального назначения или иного программируемого устройства для обработки данных, формирующего автомат, таким образом, что упомянутые инструкции, которые выполняют посредством процессора компьютера или иного программируемого устройства обработки данных, формируют средства реализации функций/действий, заданных в блоке (или в блоках) блок-схемы и/или алгоритма.

[0030] Упомянутые инструкции компьютерной программы могут также храниться на машиночитаемом носителе, который может обеспечивать определенный способ функционирования компьютера или иного программируемого устройства для обработки данных, так что упомянутые инструкции, хранимые на машиночитаемом носителе, образуют изделие, включающее средства инструкций, которые реализуют функцию/действие, заданную в блоке (или в блоках) блок-схемы и/или алгоритма.

[0031] Упомянутые инструкции компьютерной программы могут также загружаться в компьютер или в иное программируемое устройство для обработки данных для обеспечения выполнения последовательности шагов операций на компьютере или ином программируемом устройстве для обработки данных, для формирования машинно-реализуемого процесса, так что инструкции, которые выполняют на компьютере или ином программируемом устройстве, обеспечивают процедуры для реализации функций/действий, заданных в описании упомянутого способа.

[0032] На фиг. 2 показан пример окружения 50, включающего систему 70 для оценки эффективности одной из секций паровой турбины в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Окружение 50 включает компьютерную инфраструктуру 60, которая может выполнять различные процедуры, описанные в настоящем документе. А именно, компьютерная инфраструктура 60 продемонстрирована с включением вычислительного устройства 126, которое включает систему 70 для оценки эффективности секции паровой турбины, обеспечивающую возможность оценки вычислительным устройством 126 эффективности секций в системе по производству электроэнергии (например, паровая турбина 100).

[0033] Вычислительное устройство 126 показано с включением памяти 62, процессора (PU) 64, интерфейса 66 ввода/вывода (input/output, I/O) и шины 68. При этом вычислительное устройство 126 показано связанным с внешним устройством/ресурсом 72 ввода/вывода и системой 74 хранения. Как известно, в настоящей области техники, в общем, процессор 64 исполняет компьютерный программный код, такой как система 70, который хранится в памяти 62 и/или системе 74 хранения. Во время исполнения компьютерного программного кода процессор 64 может считывать и/или записывать данные, такие как значения, полученные от набора датчиков 103, связанных с одним или более компонентами системы 100 производства электроэнергии. Шина 68 обеспечивает линию связи между всеми компонентами вычислительного устройства 126. Устройство 72 ввода/вывода может включать любое устройство, позволяющее пользователю взаимодействовать с вычислительным устройством 126, или любое устройство, позволяющее вычислительному устройству 126 осуществлять связь с одним или более другими вычислительными устройствами. Устройства ввода/вывода (включающие, не ограничиваясь перечисленным, клавиатуры, дисплеи, указывающие устройства и т.п.) могут быть подключены к системе либо напрямую, либо через промежуточные контроллеры ввода/вывода.

[0034] Окружение 50 может включать систему 100 производства электроэнергии, например паровую турбину 100, функционально связанную с системой 70 для оценки эффективности секции паровой турбины посредством вычислительного устройства 126 (например, с помощью беспроводных или проводных средств). Следует понимать, что система 70 для оценки эффективности секции паровой турбины может также включать традиционные передатчики и приемники для передачи и приема, соответственно, данных от системы 100 производства электроэнергии и/или набора датчиков 103.

[0035] В любом случае вычислительное устройство 126 может включать любое вычислительное устройство, способное исполнять компьютерный программный код, устанавливаемый пользователем (например, персональный компьютер, сервер, портативное устройство и т.п.). Однако следует понимать, что вычислительное устройство 126 и система 70 для оценки эффективности секции паровой турбины представляют собой лишь один из эквивалентных вариантов вычислительных устройств, способных исполнять различные шаги процедур настоящего описания. В этом отношении, в других вариантах осуществления настоящего изобретения, вычислительное устройство 126 может включать любые вычислительные изделия специального назначения, включающие аппаратное обеспечение и/или компьютерный программный код для выполнения определенных функций, любое вычислительное изделие, которое включает комбинацию аппаратного/программного обеспечения общего и специального назначения и т.п. В каждом случае программный код и аппаратное обеспечение могут создаваться с использованием стандартных методов программирования и разработки аппаратного обеспечения, соответственно.

[0036] Аналогично, компьютерная инфраструктура 60 представляет собой всего лишь иллюстрацию различных типов компьютерных инфраструктур для реализации настоящего описания. Например, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, компьютерная инфраструктура 60 включает два или более вычислительных устройства (например, серверный кластер), которые осуществляют связь по любому типу проводной и/или беспроводной линии связи, например сети, общей памяти и т.п. для выполнения различных шагов процедуры настоящего описания. Если упомянутая линия связи включает сеть, эта сеть может включать любую комбинацию из сетей одного или более типа (например, Интернета, глобальной вычислительной сети, локальной вычислительной сети, виртуальной частной сети и т.п.) К системе могут быть также подключены сетевые адаптеры для обеспечения возможности подключения системы обработки данных к другим системам обработки данных или к удаленным принтерам или устройствам хранения через промежуточные частные сети или сети общего доступа. Модемы, кабельные модемы и карты Ethernet являются лишь несколькими примерами доступных на сегодняшний день типов сетевых адаптеров. Однако связь между вычислительными устройствами может задействовать любую комбинацию различных типов технологий передачи данных.

[0037] Как отмечалось ранее и будет более подробно описано ниже, система 70 для оценки эффективности секции паровой турбины дает технический эффект, заключающийся в обеспечении возможности исполнения вычислительной инфраструктурой 60, помимо прочего, функций оценки эффективности, описанных в настоящем документе. Следует понимать, что некоторые из различных компонентов, продемонстрированных на фиг. 2, могут быть реализованы независимо, в комбинации и/или могут быть хранимыми в памяти для одного или более независимых вычислительных устройств, входящих в состав компьютерной инфраструктуры 60. Также следует понимать, что некоторые из упомянутых компонентов и/или часть функциональности может не реализовываться, или в качестве части окружения 50 могут быть включены дополнительные схемы и/или дополнительная функциональность.

[0038] В настоящем описании для описания изобретения использованы конкретные примеры, включая предпочтительный вариант осуществления, упомянутые примеры служат также для обеспечения возможности применения настоящего изобретения на практике специалистом в данной области техники, включая создание и использование любых устройств или систем, и выполнение любых предложенных способов. Объем настоящего изобретения определяется пунктами формулы изобретения и включает другие примеры, очевидные специалистам в данной области техники. Упомянутые другие примеры попадают в рамки формулы изобретения, если они имеют структурные элементы, не отличающиеся от буквального текста формулы изобретения, или если они включают эквивалентные им структурные элементы с незначительными отличиями от буквального описания в пунктах формулы изобретения.

Список обозначений

Пример окружения 50

Компьютерная инфраструктура 60

Память 62

Процессор (PU) 64

Интерфейс ввода/вывода 66

Шина 68

Система 70

Внешнее устройство/ресурс ввода/вывода 72

Система хранения 74

Паровая турбина 100

Источник основного пара 101

Секция высокого давления (HP) 102

Датчики 103

Секция промежуточного давления (IP) 104

Секция низкого давления (LP) 106

Вход секции высокого давления (HP) 108

Выход/выпуск секции высокого давления (HP) 110

Впуск низкого давления (LP) 112

Вход секции промежуточного давления (IP) 114

HRSG (генератор пара с регенерацией тепла) 116

Источник подогретого пара 118

Выход/выпуск секции промежуточного давления (IP) 120

Перепускная труба 122

Вход секции низкого давления (LP) 124

Вычислительное устройство 126