一種基于控制圖的燃氣輪機壓氣機性能評價方法

賈廣博，周登極，張會生

● （上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

一種基于控制圖的燃氣輪機壓氣機性能評價方法

賈廣博，周登極，張會生

● （上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

介紹了對象燃氣輪機的結構、狀態監測系統，并在MATLAB軟件仿真平臺上開發了基于監測參數的燃機性能計算程序，發現隨著機組工作時間的累積，燃氣輪機壓氣機效率有著明顯的降級。為了科學有效地評價降級，將工程管理中的控制圖法運用到壓氣機性能的評價工作中，分析了機組某次停機水洗前后的性能變化。以壓氣機效率為控制圖特征值，發現水洗前壓氣機效率處于“失控狀態”，水洗后壓氣機效率重新回到“受控狀態”。結果表明：控制圖法可以反映燃氣輪機運行過程中的性能變化情況，依據控制圖法判斷機組工作過程是否異常，可為燃氣輪機的維護工作提供幫助。

燃氣輪機；性能計算模型；控制圖；水洗

0 引言

燃氣輪機動力裝置早在50年代開始用于船艦，燃氣輪機作為船舶動力的核心設備，其性能決定了船艦的動力性能與運營成本。目前大部分燃氣輪機均配備完善的狀態監測系統，對于表征機組運行狀態的關鍵參數都有實時監控。筆者在獲得機組各部件運行數據的基礎上，開發燃氣輪機性能計算平臺，并引入工程管理中的控制圖方法主要針對燃氣輪機壓氣機的性能進行評價。

1 基于監測參數的燃機性能計算平臺

1.1 燃氣輪機結構

本文的對象燃機機組為雙轉子結構，由單轉子燃氣發生器和自由動力渦輪轉子組成。燃氣發生器包括壓氣機、燃燒室和高壓渦輪。進入燃氣輪機的氣體經過壓氣機之后送入燃燒室與燃料混合燃燒得到高溫高壓燃氣進入透平膨脹，動力渦輪則為船舶提供驅動力。壓氣機、渦輪和燃燒室之間通過管路連接，渦輪與壓氣機及負荷機械聯動，部件之間有著緊密的機械聯系和復雜的熱力氣動聯系。該型號機組各截面參數如圖1所示。

圖1 對象燃氣輪機結構

1.2 燃氣輪機狀態監測系統

目前對象燃氣輪機已配備了完善的狀態監測系統，無論是對燃氣輪機本體還是輔助系統都有一系列的測點，對于表征系統運行狀態和安全性的關鍵參數都有實時監控。P1、T1、P2、T2、P3、T3、P4、T4、P5、T5分別代表圖中各截面對應的壓力和溫度，P0、T0表示當地大氣壓力與溫度。除了燃燒室出口溫度和壓力（P3，T3）沒有相應的測量儀表，其它參數均可方便地記錄保存下來，作為穩態模型的計算的輸入量，計算分析燃氣輪機的性能[1]。

1.3 燃氣輪機性能計算模型

本文計算程序包括壓氣機模塊，燃燒室模塊，燃氣渦輪模塊和動力渦輪模塊，可由氣體流程：進氣道-壓氣機-燃燒室-高壓渦輪-動力渦輪，按計算鏈順序進行計算，可分別得到壓氣機效率、高壓渦輪效率、動力渦輪效率、機組熱效率以及機組功率等性能參數。

以壓氣機部件為例，壓氣機利用高速旋轉的葉片對從進氣道流入的空氣做功，從而通過壓縮空氣來增加氣體的壓強和動能，使進入燃燒室的氣體總壓達到有利于燃料充分燃燒需要的壓力值。進出口壓力比值求得壓氣機增壓比π=P2/P1，由式ψ2i-ψ1=1gπ得壓氣機出口理想熵函數ψ2i；由變比熱擬合公式，分別求得壓氣機理想過程出口溫度和焓值T2i、H2i，壓氣機實際過程出口焓值H2和熵函數ψ2；根據壓氣機效率的定義，壓氣機效率等于壓氣機理想焓增與實際焓增之比：

2詳細介紹了燃氣輪機性能計算的過程，其它部件模塊本文不再贅述[2]。以對象燃氣輪機 2011年和2012年同期的兩段連續的運行數據為輸入量，同一時期的數據可在最大程度上規避大氣溫度、壓力等運行環境對性能計算的影響，得到燃氣輪機壓氣機效率的計算結果如圖2所示。

圖2 燃氣輪機壓氣機性能計算結果

由于燃氣輪機要承受高溫、高轉速、不均勻的熱負荷、轉子不平衡等不良作用，隨著燃氣輪機機組工作時間的累積，機組壓氣機效率發生顯著衰減。作為燃氣輪機的核心部件，壓氣機的效率很大程度上左右燃氣輪機循環的經濟性，為了盡可能延緩機組性能下降，需要采取必要措施如水洗等等，如何采用科學的手段來判定燃氣輪機是否需要水洗十分關鍵。

2 控制圖評價燃氣發生器性能

2.1 控制圖法介紹

2.1.1 控制圖法的概述

控制圖（control chart）又被稱為質量評價圖。因為生產過程不可能是一成不變的，由于各種隨機因素的作用，產品的質量特性值或大或小地波動是不可避免的，也是允許的。當由于某種因素的作用，產品質量特性值超出了允許波動范圍時，這就有必要把質量特性值變動情況記錄下來，用來描述產品質量特性值的點狀圖就稱為控制圖。

控制圖的作用是對產品質量評估分析，在質量控制領域應用廣泛，地位重要。以統計學原理為基礎的控制圖工具最初被應用于對大批量生產的零件的質量檢測，隨著其不斷發展完善，逐步推廣應用到醫藥、測量、化學分析、材料利用率等相關領域，成為現代化生產中不可或缺的重要管理工具[3]。

2.1.2 控制圖的要素與原理

控制圖的控制圖的3σ原理如圖3所示。

圖3 控制圖的3σ原理

圖中：

縱坐標：數據（質量特性值或其統計量）；

橫坐標：按時間順序抽樣的樣本編號；

中心線（CL，Central Line）：即樣本數據平均值，設X1，X2……Xn是一個大小為n的樣本，則X=（X1，X2……Xn)/n；

上控制線（UCL，Upper Control Line）：UCL=X+3σ；

下控制線（LCL，Lower Control Line）：LCL=X-3σ。

控制圖基于統計學3σ原理提出的。經研究表明，它對檢測生產過程存在的異常點現象效果明顯。當過程處于受控狀態時，產品總體的質量特性數據的分布一般服從正態分布規律。由正態分布規律可知，質量指標落在土 3σ范圍內的概率約為99.73%，落在士3σ范圍外的概率只有0.27%，這是一個小概率。按照小事件原理，在一次實踐中超出士3σ范圍的小概率事件幾乎是不會發生的。若發生了，則說明工序已不穩定，就是說過程中一定有系統性原因在起作用。這時，應追查原因，采取措施，使工序恢復到穩定狀態[4]。

2.2 控制圖法評價準則

應用控制圖的目的是為了使生產過程或工作過程處于“控制狀態”，控制狀態（穩定狀態）指工作過程的波動在正常范圍之內，被檢測機組工作狀態在一定時間內沒有大的波動；反之則為非控制狀態或異常狀態。

通常判斷工作過程是否處于“失控狀態”有如下準則：一部分樣本點超出控制界限；

如果沒有樣本點出界，但樣本點排列和分布異常，也說明生產過程狀態失控。比如：

連續7個點或7點以上出現在中心線一側；

連續11點至少有10點出現在中心線一側；

連續14點至少有12點出現在中心線一側[5]。

2.3 控制圖法的應用

燃氣輪機性能的評價可以類似于產品生產過程的質量檢查。壓氣機在運行過程中由于吸入的空氣中所含的污染物在氣流通道上不斷沉積，隨著運行時間的增加，效率必然不斷下降，并且機組運行越來越不穩定，最終落到控制線范圍之外。控制圖可反映壓氣機性能特征值（效率）隨時間的變化，依此來判斷燃氣輪機運行過程是否異常。

選取對象燃氣輪機在水洗前、后設計工況下的兩段連續運行數據作為模型輸入量。經模型計算可分別得到兩組壓氣機的效率，圖4是以壓氣機效率作為特征值的特性圖。

由圖可知：

1）水洗前壓氣機效率的均值為0.877，水洗后壓氣機效率均值為 0.881。水洗后壓氣機的效率均值較水洗前有了顯著的提高。

2）水洗前，壓氣機效率特征值已越過下控制線，并且連續9點處在中心線的同側（圖4中紅色標記），由此判定機組呈現標準的“失控狀態”；而水洗后的控制圖無異常，說明壓氣機工作情況明顯趨于穩定，再次恢復到“控制狀態”。 水洗維護工作可在一定程度上緩解壓氣機性能的惡化。水洗后，燃氣輪機的經濟性有了顯著的提高。再根據控制圖，長期運行的機組壓氣機效率組成的控制圖處于“失控狀態”，而水洗后該機組壓氣機效率組成的控制圖處于“穩定狀態”，水洗后機組運行的也穩定性也大大提高。

圖4 水洗前后的壓氣機效率控制圖

3 結論

1）本文開發了一個基于狀態監測參數的燃氣輪機性能計算平臺，發現隨著機組工作時間的累計，機組壓氣機效率會產生明顯的降級；

2）將控制圖工具應用到燃氣輪機壓氣機性能的評價，算例結果印證了控制圖穩定與否與壓氣機性能的對應關系；

3）控制圖法分析壓氣機性能可為燃氣輪機的水洗時機提供參考，但不能完全依此確定水洗頻率，這是因為還需綜合考慮壓氣機效率下降對機組經濟成本的影響。

參考文獻：

[1]周會芳.燃氣輪機運行中的性能監測[J].燃氣輪機技術,2004(1):61-64.

[2]朱行健,王雪瑜.燃氣輪機工作原理及性能[M].北京:科學出版社,1992.

[3]劉桂珍,顧立志.質量管理[M].北京:國防工業出版社,2003.

[4]Yongchang Ren,Tao Xing,Deyi Jiang.Research on Software Quality Control Method Based on Control Chart[C].Proceedings of 2011 IEEE 2nd International Conference on Computing,Control and Industrial Engineering(CCIE 2011),VOL01.

[5]EllisR.Ott,EdwardG.Schilling,Dean V.Neubauer.Process Quality Control troubleshooting and interpretation of data[M].New York:McGraw Hill,2000:53-97.

An Evaluation Method Based on Control Chart for the Performance of Driving Gas Turbine

JIA Guang-bo,ZHOU Deng-ji,ZHANG Hui-sheng
(School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)

The structure and monitoring system of the gas turbine is described.Based on this operating data of each part of gas turbine,a model to calculate gas turbine’s performance is established in MATLAB Platform.According to result,efficiency of gas turbine compressor degraded largely as working time accumulates.In order to evaluate efficiency downgrade scientifically,Shewhart Control Chart is applied to compressor performance evaluation.An analysis on how the performance of compressor changes up to washing.Compressor efficiency is used as characteristic value in control charts,it is “out of control” before washing and back “in control”after washing.The results showed that:control chart can reflect the changes of gas turbine performance; control chart determines the unit’s working condition and provides help for gas turbine maintenance.

gas turbine; performance computing model; control charts; washing

U664

A

賈廣博（1987-），男，碩士研究生。主要研究領域為燃氣輪機的維護與仿真模擬。