ES2302018T3 - Procedimiento para reconocer un estado de funcionamiento de una turbina. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para reconocer un estado de funcionamiento durante el funcionamiento de una turbina (1), en el que un gas de escape caliente fluye a través de una carcasa de gas de escape (9) postconectada a la turbina (1) y la temperatura del gas de escape se detecta con resolución de tiempo en la carcasa de gas de escape (9), en donde en un plano transversal a la dirección de flujo principal del gas de escape se detectan varios valores de medición de temperatura del gas de escape, en cada caso con resolución de posición, con relación a un origen de un sistema de coordenadas cartesiano imaginario, los valores de medición de temperatura se proyectan sobre los dos ejes del sistema de coordenadas y, de este modo, se descompone en cada caso en dos componentes de posición perpendiculares entre sí y con ello dirigidos positiva o negativamente, caracterizado porque para cada eje se suman a continuación los componentes de posición con la misma dirección para formar dos sumas de momentos, componente a componente con relación a un valor de referencia respectivo, formando un momento, en donde cada valor de referencia se ha elegido de tal modo que las sumas de momentos dirigidas en contrasentido tienen el mismo valor, y porque después un punto compuesto por los dos valores de referencia se valora como punto central de la distribución de temperaturas para reconocer el estado de funcionamiento y en donde cada formación de momento se realiza mediante el cálculo de un brazo de palanca montado en el valor de referencia, el cual se multiplica con la porción activa del valor de medición de temperatura que actúa en el otro extremo del brazo de palanca.

Description

Procedimiento para reconocer un estado de funcionamiento de una turbina.

La invención se refiere a un procedimiento para reconocer un estado de funcionamiento durante el funcionamiento de una turbina, conforme al preámbulo de la reivindicación 1.

Se conoce que para reconocer un estado de funcionamiento de una turbina se detectan y valoran continuamente las temperaturas que reinan en el gas de escape. Para ello están dispuestos sobre la pared interior de la carcasa de gas de escape unos dispositivos de medición de temperatura distribuidos uniformemente de forma coaxial, que detectan las temperaturas del gas de escape. Para valorar las temperaturas de gas de escape medidas se llevan a cabo comparaciones de valores extremos. Para cada punto de medición se detecta en funcionamiento de ensayo las temperaturas máxima y mínima producidas y, de este modo, se determina un intervalo de temperatura. Se determina una avería si el elemento de medición de temperatura detecta una temperatura que está fuera de su intervalo de temperatura medido previamente.

También es conocido que a partir del valor medio de temperatura temporal de un dispositivo de medición de temperatura y de la temperatura momentánea se determina la diferencia, para establecer el estado de funcionamiento.

Estas valoraciones tienen el inconveniente de que quedan sin tenerse en cuenta pequeñas variaciones sistemáticas de las temperaturas de salida, que están situadas por debajo de los límites prefijados.

Además de esto se conoce del documento US2002/183916 A1 calcular la torsión angular del campo de temperaturas de salida.

La torsión angular establecida se usa para normalizar el campo de temperaturas de salida, para hacer posible reflujos de puntos de medición de temperatura sobre cámaras de combustión Can dedicadas.

Aparte de esto, el documento EP 1 118 920 A1 hace patente una vigilancia de vibraciones de piezas constructivas rotatorias. Para esto están previstos uno o varios sensores de vibraciones dispuestos alternados unos con otros. Las amplitudes y posiciones de fase recogidas de las vibraciones o de los desplazamientos temporales provocados por las vibraciones son detectados con estos sensores y se descomponen en dos componentes perpendiculares entre sí, que a continuación se transforman, formando en cada caso un valor medio aritmético deslizante, una magnitud resultante con amplitud y posición de fase, magnitud que se valora después para el análisis de estados.

Aparte de esto se conoce del documento JP 02-064232 una indicación para un campo de temperaturas de salida de turbina.

La tarea de la presente invención es por ello indicar un procedimiento para reconocer un estado de funcionamiento durante el funcionamiento de una turbina, con el que puedan reconocerse e indicarse variaciones sistemáticas del estado de funcionamiento.

La solución de la tarea dirigida al procedimiento es resuelta mediante las particularidades de la reivindicación 1. En las reivindicaciones subordinadas se indican perfeccionamientos adicionales.

Con la invención se busca un nuevo modo de reconocer un estado de funcionamiento durante el funcionamiento de una turbina. Hasta ahora se realizaban mediciones de temperatura locales en varias posiciones en el canal de gas de escape, en las que se detectaba la temperatura de salida del gas de escape. La posición local de cada temperatura detectada no se tenía con ello en cuenta hasta ahora. Ahora se reúnen todas las temperaturas detectadas con su posición local correspondiente en cada caso, formando un momento entre ellas, hasta formar una magnitud resultante mediante la cual es posible un reconocimiento más rápido y preciso de variaciones sistemáticas.

Las temperaturas del gas de escape de un momento se registran en un sistema de coordenadas, teniendo en cuenta el punto en el que se detectaron. Después de esto se proyecta cada valor de medición de temperatura sobre los dos ejes del sistema de coordenadas y, de este modo, se descompone en cada caso en dos componentes de posición dirigidos positiva o negativamente, en donde a continuación para cada eje se suman los componentes de posición con la misma dirección para formar dos sumas de momentos, componente a componente con relación a un valor de referencia respectivo, formando un momento, en donde cada valor de referencia se ha elegido de tal modo que las sumas de momentos dirigidas en contrasentido tienen el mismo valor, y en donde después un punto compuesto por los dos valores de referencia se valora como punto central de la distribución de temperaturas de salida para reconocer el estado de funcionamiento de la turbina de gas.

Mediante el aprovechamiento de las informaciones totales de la distribución de temperaturas de salida se tienen en cuenta las informaciones que hasta ahora estaban situadas por debajo de las condiciones mínimas. De aquí se obtiene un contenido informativo superior, que se utiliza para un reconocimiento de estado más rápido y mejor.

En una configuración ventajosa se reconoce el estado de funcionamiento durante un funcionamiento estacionario de la turbina de gas como una avería, si el punto central puede representarse como vector con importe y ángulo, y si el importe -o ángulo- actual del vector de punto central, con relación un importe -o ángulo- determinado en un momento anterior, presenta una diferencia que supera o es inferior a un valor de tolerancia. Se comparan dos puntos centrales detectados en diferentes momentos, cuya diferencia se vigila. Si la diferencia supera un valor de tolerancia se reconoce una avería del funcionamiento de la turbina. Los valores de tolerancia se establecen mediante funcionamientos de ensayo o mediante valores empíricos.

En una consideración inversa puede diagnosticarse un funcionamiento sin fallos de la turbina de gas si el vector de valor central, considerado a lo largo del tiempo, permanece con un importe y/o ángulo constantes.

El comportamiento en el tiempo del importe y del ángulo del vector de punto central -el punto central de la distribución de temperaturas de salida- presenta durante el funcionamiento de la turbina un comportamiento conocido:

Durante el funcionamiento sin fallos de la turbina de gas se estabiliza el vector de punto central de la distribución de temperaturas de salida en un importe constante en el tiempo con un ángulo constante. Constante significa con ello que, aunque dentro de la amplitud de oscilación prefijada mediante valores de tolerancia pueden producirse pequeñas variaciones, éstas deben atribuirse a influencias no sistemáticas, sino casuales.

Si durante el funcionamiento estacionario de la turbina varía considerablemente el importe o el ángulo del vector de punto central, esto debe atribuirse a una variación sistemática como por ejemplo al bloqueo del canal a causa de un residuo suelto de escudo térmico. Las variaciones sistemáticas deben atribuirse a un funcionamiento defectuoso o a una avería de la turbina de gas, ya que falta una influencia conocida externa. Además de esto las averías de quemador, que pueden ser por una parte coquización de turbina o una orientación de llama modificada por otra parte, conducen a un punto central variable de la distribución de temperaturas de salida. Del mismo modo pueden conducir fluctuaciones de flujo, que se materializan en fluctuaciones de temperatura, a la rotación del ángulo.

Convenientemente se ha orientado un plano, en el que están situados los puntos de medición para los dispositivos de medición de temperatura, perpendicularmente a la dirección de flujo principal del gas de escape y la dirección de flujo principal en paralelo al eje de giro de un árbol de la turbina. Las temperaturas se registran según esto en el tiempo a una distancia idéntica al eje de giro del árbol.

En un perfeccionamiento ventajoso los puntos de medición están dispuestos simétricos en rotación respecto al eje de giro. Por medio de esto se consigue una distribución equidistante, que puede valorarse de forma especialmente sencilla a causa de la simetría.

En general el procedimiento es adecuado para la vigilancia continua del funcionamiento. Con ello es especialmente ventajoso que el procedimiento se utilice con preferencia durante el funcionamiento estacionario o semi-estacionario de la turbina en cada momento, es decir continuamente, ya que el procedimiento ofrece aquí resultados especialmente fiables. Los análisis de estado del funcionamiento de turbina de gas con ayuda del vector de punto central puede llevarse a cabo, sin embargo, principalmente también en un funcionamiento muy transitorio -con modificaciones apropiadas-, en donde en funcionamiento transitorio deben tenerse en cuenta particularidades. Por lo tanto pueden analizarse en detalle resultados y declaraciones fiables sobre el comportamiento de la turbina de gas durante el desarrollo de un estado de funcionamiento transitorio, por ejemplo procesos de puesta en marcha y desconexión.

La turbina está configurada convenientemente como turbina de gas.

La invención se explica con más detalle con base en un dibujo. Con ello muestran:

la figura 1 una turbina de gas en un corte parcial longitudinal,

la figura 2 un sistema de coordenadas cartesianas con un diagrama de la distribución de temperaturas de salida,

la figura 3 un diagrama mixto importe-tiempo y ángulo-tiempo para un vector de punto central de la distribución de temperatura de salida de la turbina de gas y

la figura 4 un dispositivo de valoración para el procedimiento de vigilancia.

La figura 1 muestra una turbina de gas 1 en un corte longitudinal. En el interior muestra un rotor 3 montado de forma giratoria alrededor de un eje de rotación 2, que también se designa como inducido de turbina o árbol de rotor. A lo largo del rotor 3 están situados consecutivamente una carcasa de aspiración 4, un compresor 5, una cámara de combustión anular 6 toroidal con varios quemadores 7 dispuestos coaxialmente, una turbina 8 y una carcasa de gas de escape 9.

En el compresor 5 está previsto un canal de compresor 10 anular, cuya sección transversal se estrecha en la dirección de la cámara de combustión anular 6. A la salida del compresor 5 en el lado de la cámara de combustión está dispuesto un difusor 11, que está en unión de flujo con la cámara de combustión anular 6. La cámara de combustión anular 6 forma una cámara de combustión 12 para una mezcla entre un combustible y aire comprimido L. Un canal de gas caliente 13 está en unión de flujo con la cámara de combustión 12, en donde después del canal de gas caliente 13 está dispuesta la carcasa de gas de escape 9.

En el canal de compresor 10 y en el canal de gas caliente 13 están dispuestos en cada caso anillos de álabes alternados. A un anillo de álabes guía 15 formado por álabes guía 14 le sigue en cada caso un anillo de álabes de paleta 17 conformado por álabes de paleta 16. Los álabes guía 14 fijos están unidos con ello al estátor 18, mientras que por el contrario los álabes de paleta 16 están fijados al rotor 3 mediante un disco de turbina 19.

El canal de gas de escape 9 está limitado por una pared interior 24 concéntrica al eje de rotación 2, sobre la cual están dispuestos de forma solidaria en rotación veinticuatro dispositivos de medición de temperatura M_{i} distribuidos uniformemente por el perímetro. Todos los dispositivos de medición de temperatura M_{i} están situados con ello en un plano imaginario, que está situado perpendicularmente al eje de rotación 2.

Durante el funcionamiento de la turbina de gas 1 se aspira aire L desde el compresor 5 a través de la carcasa de aspiración 4 y se comprime en el canal de compresor 10. El aire L aprontado a la salida del compresor 5 en el lado de los quemadores es guiado mediante el difusor 11 hasta los quemadores 7 y allí se mezcla con un combustible. La mezcla se quema después en la cámara de combustión 10 formando un fluido de trabajo 20. Desde allí el fluido de trabajo 20 fluye hasta el canal de gas caliente 13. Sobre los álabes guía 16 dispuestos en la turbina 8 y sobre los álabes de paleta 18 se expande el fluido de trabajo 20 transmitiendo impulsos, de tal modo que se acciona el rotor 3 y con él una máquina de trabajo (no representada) acoplada al mismo. En el canal de gas de escape 9 se transmite el fluido de trabajo 20 como gas de escape. Cada dispositivo de medición de temperatura M_{i} mide después la temperatura T_{i} reinante en su posición del gas de escape.

La figura 2 muestra un sistema de coordenadas cartesiano P(x, y) con una distribución de temperaturas de salida en un momento t_{0}.

Se define:

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1

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En el sistema de coordenadas P(x) se extienden en forma de estrella desde el origen de coordenadas P(0,0) veinticuatro rectas auxiliares H_{i}, para i= 1..n, hasta cada punto de medición de los dispositivos de medición de temperatura M_{i}. De este modo cada recta auxiliar H_{i} presenta, con relación al eje positivo x, un ángulo \Theta, cuyo valor es de 15º o un múltiplo entero del mismo.

Para cada temperatura T_{i} detectada por los dispositivos de medición de temperatura M_{i} se registra sobre su eje auxiliar correspondiente H_{i} un punto, cuya distancia al origen de coordenadas P(0,0) es proporcional al importe detectado de la temperatura T_{i}. De este modo se obtiene sobre cada eje auxiliar H_{i}, i= 1..n, un punto dependiente de la temperatura local T_{i}. Para cada punto se produce después, mediante las funciones trigonométricas conocidas conforme a

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una proyección sobre los dos ejes del sistema de coordenadas.

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Para conseguir una ponderación idéntica de los puntos de medición, todos los dispositivos de medición de temperatura M_{i} están dispuestos de forma adyacente en un plano, que se extiende perpendicularmente al eje de giro 2 y de este modo al mismo tiempo a la dirección de flujo principal del gas de escape. Otra distribución irregular de los dispositivos de medición de temperatura M_{i} sobre el perímetro también sería posible con el procedimiento.

Para poder determinar un punto central S de la distribución de temperaturas de salida del gas de escape tienen que estar equilibrados los momentos de las diferentes temperaturas T_{i} alrededor del punto central S. En el caso del análisis componente a componente, es decir para cada eje del sistema de coordenadas en cada dirección, es necesario conforme a esto que estén equilibradas en cada caso las sumas de los momentos dirigidos en contrasentido conforme a

4

y

5

Cada momento aislado se calcula a partir de un brazo de palanca montado en el punto central S, que se multiplica con el componente que actúa en el otro extremo del brazo de palanca, es decir, la porción activa de la temperaturas T_{i}. Debido a que el punto central es previamente desconocido, los momentos en el sistema de coordenadas se calculan con base en un valor de referencia todavía desconocido T_{GL} componente a componente, según

6

Para calcular el punto central S se usan y transforman las ecuaciones (5) y (6) en la ecuación (3) y las ecuaciones (7) y (8) en la ecuación (4), de tal modo que el valor de referencia del eje x puede determinarse según

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y el del eje y según

8

Los dos valores de referencia pueden combinarse después como un vector de punto central \vec{S}_{ges} conforme al importe

9

y el ángulo

10

El origen del vector de punto central \vec{S}_{ges} está situado con ello en el origen de coordenadas P(0,0) y termina en el punto central S, que está situado en el punto P(T_{xGL},T_{yGL}). El ángulo \varphi_{ges} se referencia en sentido matemático con el eje x positivo, en donde para la aplicación de la función tangencial deben utilizarse las consideraciones habituales con relación a la magnitud del ángulo \varphi_{ges}.

Con resolución de tiempo, es decir de forma siempre recurrente, se combinan todas las temperaturas T_{i} conforme a la ecuación anterior formando un vector de punto central \vec{S}_{ges}.

En la figura 2 están unidos entre sí los puntos de las temperaturas T_{i} registradas sobre los ejes auxiliares H_{i} sobre una línea periférica 22, de tal modo que confinan conjuntamente una superficie 23 poligonal, casi circular, cuyo punto central S se determina utilizando el procedimiento.

Para una turbina de gas 1 ideal con una distribución de temperaturas de salida simétrica debería obtenerse como vector de punto central \vec{S}_{ges} el vector cero.

Si aumenta el importe |\vec{S}_{ges}| del vector de punto central \vec{S}_{ges}, se deforma de forma creciente la distribución de temperatura de salida con relación al origen del sistema de coordenadas. Si disminuye el importe |\vec{S}_{ges}| se hace más simétrica la distribución de temperaturas de salida.

En la figura 3 se ha representado el desarrollo en el tiempo del vector de punto central \vec{S}_{ges} en un diagrama mixto importe-tiempo y ángulo-tiempo. El vector de punto central \vec{S}_{ges} se describe mediante el importe |\vec{S}_{ges}| y el ángulo \varphi_{ges}, en donde el ángulo \varphi_{ges} se ha representado en una línea a trazos y el importe |\vec{S}_{ges}| como línea entera.

En el funcionamiento estacionario sin fallos de la turbina de gas, desde el momento t = t_{0} hasta el momento t = t_{1}, discurre la curva característica del importe |\vec{S}_{ges}| casi de forma constante dentro de una menor

amplitud de oscilación. Del mismo modo el ángulo \varphi_{ges} debe contemplarse como constante dentro de una reducida amplitud de oscilación.

En el momento t = t_{1} se produce durante el funcionamiento estacionario, a causa de un bloqueo parcial de la cámara de entrada de turbina, una variación sistemática que se reconoce mediante el procedimiento.

A partir del momento t = t_{1} varía considerablemente el ángulo \varphi_{ges} y se reduce aproximadamente a la mitad de su valor anterior. El importe |\vec{S}_{ges}| se mueve a partir del momento t = t_{2} fuera de su amplitud de oscilación. Mediante la variación no insignificante del ángulo \varphi_{ges} y del importe |\vec{S}_{ges}| el fallo puede reconocerse con mayor antelación y de forma más sencilla.

Con el procedimiento de vigilancia conocido hasta ahora del estado de la técnica se han anotado las variaciones de temperatura, pero las variaciones de temperatura sistemáticas reducidas no superaban los valores límite, de tal modo que no se diagnosticaba ningún funcionamiento defectuoso. Por ello este caso de fallo -el bloqueo parcial de la cámara de entrada de turbina con activaciones de oscilación de ello resultantes en la primera fila de álabes de paleta y consiguientes roturas de álabes- no se ha reconocido con suficiente antelación con un procedimiento de vigilancia conforme al documento EP 1 118 920 A1.

Aunque el procedimiento descrito en el documento EP 1 118 920 A1 descompone los valores medios deslizantes establecidos en dos componentes perpendiculares entre sí, de los que se determina una magnitud resultante con importe y ángulo, allí no se produce una ponderación de los componentes, en especial una ponderación variable, a modo de una formación de momentos. En el procedimiento conforme a la invención actúa cada temperatura T_{i}, por ejemplo la temperatura T_{+xi}, con el brazo de palanca asociado a la misma, por ejemplo T_{+xi} menos T_{xGL}-, comparable con una formación de momentos en el sentido físico- alrededor del punto central S a establecer de la superficie; conforme a las ecuaciones (5) a (8).

Mediante el desplazamiento del punto central S, es decir del punto P(T_{xGL}, T_{yGL}), varía también cada brazo de palanca y con ello la ponderación de cada temperatura T_{i}. Por medio de esto el procedimiento conforme a la invención se hace especialmente sensible a las mínimas variaciones en la distribución de temperaturas de salida. Aparte de esto, el procedimiento representa una mejora adicional con relación a la formación sencilla de valores medios, ya que esta sencilla formación de valores medios no señala obligatoriamente desplazamientos de temperatura simétricos y no ofrece una conclusión sobre la orientación y el giro geométricos de la distribución de temperaturas de salida.

En la figura 4 se muestra el dispositivo para vigilar el vector de punto central \vec{S}_{ges}, que no pertenece al objeto de la invención. Presenta un dispositivo de valoración 25, que aplica el procedimiento. Con ello el dispositivo de valoración 25 está unido a todos los dispositivos de medición de temperatura M_{i} y a un dispositivo indicador 26. A partir de las temperaturas T_{i} detectadas el dispositivo de valoración 25 calcula el vector de punto central \vec{S}_{ges} y comprueba si su importe |\vec{S}_{ges}| o su ángulo \varphi_{ges} está situado fuera de un intervalo de tolerancia. Si es éste el caso, el dispositivo de valoración 25 genera una señal para el dispositivo indicador 26, que después indica un fallo como estado de funcionamiento. El dispositivo indicador 26 puede ser un monitor o una lámpara de control.

Mediante la vigilancia permanente del importe |\vec{S}_{ges}| y del ángulo \varphi_{ges} puede reconocerse con antelación su variación en el tiempo, al faltar una influencia conocida exterior, como una variación sistemática. Estos indican después con antelación si existen errores o fallos, de tal modo que pueden evitarse deterioros consecuentes en la turbina de gas o que puede realizarse una intervención a tiempo en el funcionamiento de la turbina con fines correctivos.

Claims (6)

1. Procedimiento para reconocer un estado de funcionamiento durante el funcionamiento de una turbina (1), en el que un gas de escape caliente fluye a través de una carcasa de gas de escape (9) postconectada a la turbina (1) y la temperatura del gas de escape se detecta con resolución de tiempo en la carcasa de gas de escape (9), en donde en un plano transversal a la dirección de flujo principal del gas de escape se detectan varios valores de medición de temperatura del gas de escape, en cada caso con resolución de posición, con relación a un origen de un sistema de coordenadas cartesiano imaginario, los valores de medición de temperatura se proyectan sobre los dos ejes del sistema de coordenadas y, de este modo, se descompone en cada caso en dos componentes de posición perpendiculares entre sí y con ello dirigidos positiva o negativamente, caracterizado porque para cada eje se suman a continuación los componentes de posición con la misma dirección para formar dos sumas de momentos, componente a componente con relación a un valor de referencia respectivo, formando un momento, en donde cada valor de referencia se ha elegido de tal modo que las sumas de momentos dirigidas en contrasentido tienen el mismo valor, y porque después un punto compuesto por los dos valores de referencia se valora como punto central de la distribución de temperaturas para reconocer el estado de funcionamiento y en donde cada formación de momento se realiza mediante el cálculo de un brazo de palanca montado en el valor de referencia, el cual se multiplica con la porción activa del valor de medición de temperatura que actúa en el otro extremo del brazo de palanca.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el punto central puede representarse como vector con importe y ángulo, y porque el estado de funcionamiento se reconoce como una avería, si el importe -o ángulo- actual del vector de punto central, con relación un importe determinado en un momento anterior, presenta una diferencia que supera un valor de tolerancia.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el plano es perpendicular a la dirección de flujo principal del gas de escape y la dirección de flujo principal en paralela al eje de giro (2) de un árbol de la turbina (1).

4. Procedimiento según la reivindicación 1, 2 ó 3, caracterizado porque todos los valores de medición de temperatura se detectan a la misma distancia del eje de giro (2) del árbol.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los valores de medición de temperatura locales se detectan con simetría de rotación con respecto al eje de giro (2).

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se aplica durante el funcionamiento estacionario de la turbina (1).