基于热力模型与粒子群优化算法相结合的燃气轮机自适应气路部件性能诊断方法技术

本发明专利技术的目的在于提供基于热力模型与粒子群优化算法相结合的燃气轮机自适应气路部件性能诊断方法，建立燃气轮机非线性热力模型，用相似折合参数重新定义压气机和透平的气路健康指数，采集当前对象燃气轮机稳定运行时的某一时段的气路测量参数，进行降噪处理后作为待离线诊断的气路测量参数，通过粒子群优化算法迭代寻优计算得到当前的各个部件的气路健康指数，用以评估对象燃气轮机实际的性能健康状况。本发明专利技术解决了传统燃气轮机气路部件性能诊断方法诊断精度易受环境条件及操作条件变化影响的问题，改进了传统诊断算法局部寻优的特性，提高了诊断结果的准确性，并简化了诊断过程，能有效适用于存在测量噪音和复杂燃气轮机机组的性能诊断情况。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种诊断方法，具体地说是燃气轮机性能诊断方法。
技术介绍
在20世纪下半叶，随着燃气轮机在航空工业中广泛应用，越来越多的受到工业电站领域、石油和天然气管道运输以及舰船工业领域的关注。在运行中，由于高温、高压、高转速及高应力的恶劣工作条件及环境污染等影响，各种类型的燃气轮机都会逐渐性能衰退。燃气轮机的主要气路部件包含压气机、燃烧室和透平。这些主要部件会随着时间遭受不同的退化现象，如污垢、泄漏、腐蚀、热畸变、外来物损坏等，将会引起性能恶化并易导致各种严重的故障发生运行安全问题。因此，对于燃气轮机用户来说，当前燃气轮机的性能健康状况是非常重要的信息。目前大多数燃气轮机的维修策略是预防性维修保养，通常按照燃机制造商指示的当量运行小时数(EOH)来考虑是否需要小修、中修、大修。燃机停运，无论是计划内或计划外的，总是意味着昂贵的成本代价。为了节省维修费用，用户需要根据燃机实际的性能健康状况采取维修策略，即预测性维修保养。基于热力模型决策的气路部件性能诊断方法已经广泛应用于燃气轮机性能健康状态监测中，并且已经成为支持维修策略改革的关键技术之一。通常的基于热力模型决策的气路部件性能诊断方法使用气路部件的性能参数(绝对参数)来定义部件健康指数，因此在诊断前气路测量参数需要进行数据预处理来消除环境条件或操作条件及工质组分变化而导致燃气轮机运行性能变化的影响。并且由于以部件性能参数为自适应变量，所以诊断时通常需要分两步：第一步为根据气路测量参数通过线性或非线性牛顿-莱普生迭代算法计算得到部件性能参数，如空气流量、压气机压比、压气机等熵效率、透平前温、透平等熵效率等绝对性能参数；第二步为在同一部件特性图上比较实际性能衰退情况下的部件运行点与健康基准情况下的部件运行点，从而观测此时部件特性图上的特性
线发生偏移的程度(即得到气路部件健康指数)，从而来评估当前部件的性能健康状况。当燃气轮机中参与诊断的部件数目增多时，故障系数矩阵的维数会随之增大，加之受到测量噪音的干扰，模糊效应(即，尽管某些部件实际上并无发生性能退化，但诊断出的性能衰退情况几乎分布在所有的部件气路健康指数上)可能会很强，导致实际性能衰退的部件未被识别出来。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供能有效适用于存在测量噪音和复杂燃气轮机机组的基于热力模型与粒子群优化算法相结合的燃气轮机自适应气路部件性能诊断方法。本专利技术的目的是这样实现的：本专利技术基于热力模型与粒子群优化算法相结合的燃气轮机自适应气路部件性能诊断方法，其特征是：(1)基于对象燃气轮机新投运或健康时的气路测量参数建立燃气轮机非线性热力模型，其中压气机和透平都用相似折合参数形式表示；(2)用相似折合参数重新定义压气机和透平的气路健康指数，消除由于环境条件变化而导致燃气轮机运行性能变化的影响；(3)采集当前对象燃气轮机稳定运行时的一个时段的气路测量参数，进行降噪处理后作为待离线诊断的气路测量参数；(4)设置已建立的燃气轮机热力模型的环境输入条件和操作输入条件与采样时的对象燃气轮机运行工况一致，消除由于环境条件和操作条件变化而导致燃气轮机运行性能变化的影响；(5)以待离线诊断的气路测量参数与热力模型计算的气路参数数据之间的均方根误差为目标函数，通过粒子群优化算法迭代寻优计算得到当前的各个部件的气路健康指数，用以评估对象燃气轮机实际的性能健康状况。本专利技术还可以包括：1、步骤(1)中建立燃气轮机非线性热力模型的具体步骤如下：(a)利用部件相对折合参数，建立燃气轮机部件级热力模型，其中压气机和透平特性线数据整理成通用的相对折合参数形式：压气机特性线整理成通用的相似折合参数形式如下：GC,cor,rel＝f(ncor,rel,πC,rel)ηC,rel＝f(ncor,rel,πC,rel)其中为相对折合转速，n为实际转速，为压气机进口滞止温度，Rg为流经压气机工质的气体常数，下角标0表示设计点；为相对折合流量，GC为实际压气机进口流量，为压气机进口滞止压力，为相对压比，πC为实际压气机压比，ηC,rel＝ηC/ηC0为相对等熵效率，ηC为实际压气机等熵效率；透平特性线整理成通用的相似折合参数形式如下：GT,cor,rel＝f(ncor,rel,πT,rel)ηT,rel＝f(ncor,rel,πT,rel)式中：为相对折合转速，n为实际转速，为透平进口滞止温度，Rg为流经透平工质的气体常数，为相对折合流量，GT为实际透平进口流量，为相对压比，ηT,rel＝ηT/ηT0为相对等熵效率，ηT为实际透平等熵效率，下角标0表示设计点；(b)根据采集的对象燃气轮机新投运或健康时的气路测量参数，逐步修正各个部件的特性线数据，使所建的燃气轮机热力模型的计算值与气路实测参数相匹配，从而消除热力模型计算误差给诊断结果带来的负影响。2、步骤(2)用相似折合参数重新定义压气机和透平的气路健康指数的具体步骤如下：(a)燃气轮机总体性能健康状况通过各部件的气路健康指数来表示，用相对折合参数重新定义压气机和透平的气路健康指数，以消除由于环境条件变化
而给诊断结果带来的负影响；(b)压气机气路健康指数定义如下：SFC,FC＝GC,cor,rel,deg/GC,cor,relΔSFC,FC＝(GC,cor,rel,deg-GC,cor,rel)/GC,cor,relSFC,Eff＝ηC,deg/ηCΔSFC,Eff＝(ηC,deg-ηC)/ηC其中SFC,FC为压气机流量特性指数；GC,cor,rel,deg为压气机性能衰退时相对折合流量；GC,cor,rel为压气机健康时相对折合流量；SFC,Eff为压气机效率特性指数；ηC,deg为压气机性能衰退时等熵效率；ηC为压气机健康时等熵效率；燃烧室气路健康指数定义如下：SFB,Eff＝ηB,deg/ηBΔSFB,Eff＝(ηB,deg-ηB)/ηB其中SFB,Eff为燃烧室燃烧效率性能指数；ηB,deg为燃烧室性能衰退时燃烧效率；ηB为燃烧室健康时燃烧效率；透平气路健康指数定义如下：SFT,FC＝GT,cor,deg/GT,corΔSFT,FC＝(GT,cor,deg-GT,cor)/GT,corSFT,Eff＝ηT,deg/ηTΔSFT,Eff＝(ηT,deg-ηT)/ηT其中SFT,FC为透平流量性能指数；GT,cor,deg为透平性能衰退时折合流量；GT,cor为透平健康时折合流量；SFT,Eff为透平效率性能指数；ηT,deg为透平性能衰退时等熵效率；ηT为透平健康时等熵效率。3、步骤(5)以待离线诊断的气路测量参数与热力模型计算的气路参数数据之间的均方根误差为目标函数，通过粒子群优化算法迭代寻优计算得到当前
的各个部件的气路健康指数，用以评估对象燃气轮机实际的性能健康状况的具体步骤如下：(a)以待离线诊断的气路测量数据与热力模型计算的气路参数数据之间的均方根误差为目标函数Fitness: F i t n e s s = Σ i 本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于热力模型与粒子群优化算法相结合的燃气轮机自适应气路部件性能诊断方法，其特征是：(1)基于对象燃气轮机新投运或健康时的气路测量参数建立燃气轮机非线性热力模型，其中压气机和透平都用相似折合参数形式表示；(2)用相似折合参数重新定义压气机和透平的气路健康指数，消除由于环境条件变化而导致燃气轮机运行性能变化的影响；(3)采集当前对象燃气轮机稳定运行时的一个时段的气路测量参数，进行降噪处理后作为待离线诊断的气路测量参数；(4)设置已建立的燃气轮机热力模型的环境输入条件和操作输入条件与采样时的对象燃气轮机运行工况一致，消除由于环境条件和操作条件变化而导致燃气轮机运行性能变化的影响；(5)以待离线诊断的气路测量参数与热力模型计算的气路参数数据之间的均方根误差为目标函数，通过粒子群优化算法迭代寻优计算得到当前的各个部件的气路健康指数，用以评估对象燃气轮机实际的性能健康状况。

【技术特征摘要】
1.基于热力模型与粒子群优化算法相结合的燃气轮机自适应气路部件性能诊断方法，其特征是：(1)基于对象燃气轮机新投运或健康时的气路测量参数建立燃气轮机非线性热力模型，其中压气机和透平都用相似折合参数形式表示；(2)用相似折合参数重新定义压气机和透平的气路健康指数，消除由于环境条件变化而导致燃气轮机运行性能变化的影响；(3)采集当前对象燃气轮机稳定运行时的一个时段的气路测量参数，进行降噪处理后作为待离线诊断的气路测量参数；(4)设置已建立的燃气轮机热力模型的环境输入条件和操作输入条件与采样时的对象燃气轮机运行工况一致，消除由于环境条件和操作条件变化而导致燃气轮机运行性能变化的影响；(5)以待离线诊断的气路测量参数与热力模型计算的气路参数数据之间的均方根误差为目标函数，通过粒子群优化算法迭代寻优计算得到当前的各个部件的气路健康指数，用以评估对象燃气轮机实际的性能健康状况。2.根据权利要求1所述的基于热力模型与粒子群优化算法相结合的燃气轮机自适应气路部件性能诊断方法，其特征是：步骤(1)中建立燃气轮机非线性热力模型的具体步骤如下：(a)利用部件相对折合参数，建立燃气轮机部件级热力模型，其中压气机和透平特性线数据整理成通用的相对折合参数形式：压气机特性线整理成通用的相似折合参数形式如下：GC,cor,rel＝f(ncor,rel,πC,rel)ηC,rel＝f(ncor,rel,πC,rel)其中为相对折合转速，n为实际转速，为压气机进口滞止温度，Rg为流经压气机工质的气体常数，下角标0表示设计点；为相对折合流量，GC为实际压气机进口流量，为压气机进口滞止压力，为相对压比，πC为实际压气机压比，ηC,rel＝ηC/ηC0为相对等熵效率，ηC为实际压气机等熵效率；透平特性线整理成通用的相似折合参数形式如下：GT,cor,rel＝f(ncor,rel,πT,rel)ηT,rel＝f(ncor,rel,πT,rel)式中：为相对折合转速，n为实际转速，为透平进口滞止温度，Rg为流经透平工质的气体常数，为相对折合流量，GT为实际透平进口流量，为相对压比，ηT,rel＝ηT/ηT0为相对等熵效率，ηT为实际透平等熵效率，下角标0表示设计点；(b)根据采集的对象燃气轮机新投运或健康时的气路测量参数，逐步修正各个部件的特性线数据，使所建的燃气轮机热力模型的计算值与气路实测参数相匹配，从而消除热力模型计算误差给诊断结果带来的负影响。3.根据权利要求2所述的基于热力模型与粒子群优化算法相结合的燃气轮机自适应气路部件性能诊断方法，其特征是：步骤(2)用相似折合参数重新定义压气机和透平的气路健康指数的具体步骤如下：(a)燃气轮机总体性能健康状况通过各部件的气路健康指数来表示，用相对折合参数重新定义压气机和透平的气路健康指数，以消除由于环境条件变化而给诊断结果带来的负影响；(b)压气机气路健康指数定义如下：SFC,FC＝GC,cor,rel,deg/GC,cor,relΔSFC,FC＝(GC,cor,rel,deg-GC,cor,rel)/GC,cor,relSFC,Eff＝ηC,deg/ηCΔSFC,Eff＝(ηC,deg-ηC)/ηC其中SFC,FC为压气机流量特性指数；GC,cor,rel,deg为压气机性能衰退时相对折合流量；GC,cor,rel为压气机健康时相对折合流量；SFC,Eff为压气机效率特性指数；ηC,deg为压气机性能衰退时等熵效率；ηC为压气机健康时等熵效率；燃烧室气路健康指数定义如下：SFB,Eff＝ηB,deg/ηBΔSFB,Eff＝(ηB,deg-ηB)/ηB其中SFB,Eff为燃烧室燃烧效率性能指数；ηB,deg为燃烧室性能衰退时燃烧效率；ηB为燃烧室健康时燃烧效率；透平气路健康指数定义如下：SFT,FC＝GT,cor,deg/GT,corΔSFT,FC＝(GT,cor,deg-GT,cor)/GT,corSFT,Eff＝ηT,deg/ηTΔSFT,Eff＝(ηT,deg-ηT)/ηT其中SFT,FC为透平流量性能指数；GT,cor,deg为透平性能衰退时折合流量；GT,cor为透平健康时折合流量；SFT,Eff为透平效率性能指数；ηT,deg为透平性能衰退时等熵效率；ηT为透平健康时等熵效率。4.根据权利要求3所述的基于热力模型与粒子群优化算法相结合的燃气轮机自适应气路部件性能诊断方法，其特征是：步骤(5)以待离线诊断的气路测量参数与热力模型计算的气路参数数据之间的均方根误差为目标函数，通过粒子群优化算法迭代寻优计算得到当前的各个部件的气路健康指数，用以评估对象燃气轮机实际的性能健康状况的具体步骤如下：(a)以待离线诊断的气路测量数据与热力模型计算的气路参数数据之间的均方根误差为目标函数Fitness: F i t n e s s = Σ i = 1 M [ ( z i , p r e d i c t e d - z i , a c t u a l ) / z i , ...

【专利技术属性】
技术研发人员：李淑英，应雨龙，曹云鹏，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23