(高清版)GBT 40739-2021燃气轮机 燃气轮机设备的数据采集和趋势监测系统要求

GB/T40739—2021/ISO19860:2005(ISO19860:2005,IDT)国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会I Ⅲ 1 13术语和定义 14监测系统及其特点 24.1一般特性 24.2数据采集系统 34.3趋势监测系统 34.4系统比较 55趋势监测系统的详细检查 55.1趋势监测系统的任务 55.2性能监测系统 65.3燃烧监测系统和排放监测系统 75.4机械监测系统和振动监测系统 85.5测量参数 85.6参数修正和验证 6趋势监测系统范例 附录A(资料性)趋势监测系统的现状及发展趋势 附录B(资料性)诊断系统 附录C(资料性)趋势监测系统流程图 GB/T40739-2021/ISO19860:2005本文件按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件使用翻译法等同采用ISO19860:2005《燃气轮机燃气轮机设备的数据采集和趋势监测系与本文件中规范性引用的国际文件有一致性对应关系的我国文件如下：GB/T14100—2016燃气轮机验收试验(ISO2314:2009,IDT)。本文件做了下列编辑性修改：——删除了第2章规范性引用文件清单中ISO2314:1989、ISO3977-2:1997的年代号，因为文中均为不注日期引用；-——删除了第2章规范性引用文件清单中的ISO13373-1:2002,因为在文中为资料性引用； 删除了4.1第一段背景介绍内容；——增加了附录B中的表编号。本文件由中国机械工业联合会提出。本文件由全国燃气轮机标准化技术委员会(SAC/TC259)归口。ⅢGB/T40739—2021/ISO19860:2005本文件的发布机构提请注意，声明符合本文件时，可能涉及到发电厂数据处理系统和诊申报的具体专利包括：EP0643345监测技术设备运行状态的数据处理装置US5,625,574监测技术设备运行状态的方法和数据处理系统EP0667013机组诊断系统US5,734,567机组诊断系统KR299811机组诊断系统IN179026电厂诊断系统本文件的发布机构对于上述专利的真实性、有效性和范围该专利权持有人已向ISO承诺，他愿意同任何申请人在合理且无歧视的条款和条件下就专利授权许可进行谈判。该专利持有人的声明已在ISO备案。相关信息可以通过以下联系方式获得：经查询，标准中涉及到的隶属于西门子的以上专利目前已经处于失效状态。请注意除上述专利外，本文件的某些内容仍可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的越来越多的燃气轮机用户要求在购买的燃气轮机上配备有各种功能的趋势监测系统(TMS)。TMS的使用可以提高项目的成本效益，改善机组以后的运营状况。这些收益诱使用户基于TMS对现有设备进行改造，以提高机组的成本效益和可靠性，并减少维护间隔和停机风险，TMS的复杂性可以通过引用本文件的相关章节来确定。TMS还可以带来以下好处：—-调查停机原因；通过近年来燃气轮机的发展趋势可以预见，在将来不可能出售没有TMS的燃气轮机，且存在一种将TMS与燃气轮机的控制系统紧密结合的趋势。一方面，TMS系统中需要控制系统中的操作数据，另一方面，控制系统可以快速响应TM的紧急情况。两个系统的直接结合可以提供最佳的解决方案。TMS在以下几方面存在优点：根据实际需求(如可用性)优化维护成本；尽量减少对环境的影响；提高可靠性和可用性。使用统一的系统可以使制造商：VGB/T40739—2021/ISO19860:20051GB/T40739—2021/ISO19860:2005燃气轮机燃气轮机设备的数据采集和趋势监测系统要求ISO2314燃气轮机验收试验(Gasturbines—Acceptancetests)ISO3977-2燃气轮机采购第2部分：标准参考条件与额定值(Gasturbines—Procurement—Part2:Standardreferenceconditionsandratings)利用DA和TMS获取的信息诊断燃气轮机设备状态的设备。2GB/T40739—2021/ISO19860:2005机械监测系统mechanical·monitoringsystem;MMS通过近年来的项目证明了建立燃气轮机应用监测系统(MS)的必要性。监测系统需要的测量值均1)控制系统可以提供关于机组运行状态的基本信息；MS系统可分为三个级别(见图1、图2和图B.1),3GB/T40739—2021/ISO19860:2005燃气轮机设备的数据采集(见图1)和趋势监测系统均基于DA,因此应将数据采集系统视为燃气轮机设备进一步扩展的基本组件。DA基本上仅限于测量或采集，以及系统和运行状态的有限存储。数据记录一变量：1,T,p,dm/dr(质量流量),dV/dr(体积流量),NO,、CO、O₂的浓度，d²x/di²(加速度);—机械监测；排放监测可能的用途—远程诊断；一瞬态记录仪(黑匣子)4.3趋势监测系统TMS(图2)可以评估燃气轮机设备性能、排气排放和机械性能的短期和长期趋势。与DA相比，和热力学状态相关的数据需要按照ISO标准条件”(见ISO3977-2)进行修正，并能长期保存。其他系统应就基准条件与ISO标准条件的偏差达成一致。通常，当测量值不符合标准条件(ISO3977-2)时，TMS不会对趋势进行常规分析(例如燃料消耗量偏差),也不会对后续过程进行判断TMS还应提供实验数据的验证，从采集数据中选择所需数据的逻辑以及用于构建趋势的数值算1)p=101.3kPa,T=288.15K,空气中的相对温度φ=60%。4GB/T40739—2021/ISO19860:2005数据采集数据采集获取数据—润滑油质量数据预处理一趋势计算可能的用途一比较目标值随时间值的变化；·结垢系数；·老化系效。—根据时间推断失效影响：·故障或者失效的中期预防；·因果关联(学习能力)ISO参考条件-.—温度； .一排气压力损失。将实际测量值和目标值进行对比是很容易实现的，这些目标值是通过循环分析综合系统的实际状态得到的，循环分析是根据测量参数进行分析计算的，如果数据缺失，可以通过制造商提供的图表或通过这种方式，可以确定计算值与设计或参考值的偏差，这些偏差随着时间的推移而持续存在(如效率);可以检查与运行成本相关的值(如燃料消耗)并跟踪系统扰动或故障的发生。更先进的系统还可以向非专家型的维护人员和操作员提供诊断和建议。5GB/T40739—2021/ISO19860:2005因此，TMS可以执行确定、提示和预测(以及相关环境因素)所有监测变量的短期和长期趋势的—一燃烧监测系统(CMS);-.一机械监测系统和振动监测系统(MMS和VMS)。5.1.3TMS的任务还包括趋势评估、为机组或部件的未来诊断提供数据(见附录B),给出下步动作建6GB/T40739—2021/ISO19860:2005—轴功率或电功率的输出；5.2.2为了将性能数据转换到标准参考条件(ISO3977-2)下的性能数据，还需要监测以下重要环境—空气湿度。一负载和功率因数；-压气机进气过滤的压损；一压气机入口温度；直接或间接变量传感器应用位置用于分析趋势的测量数据故障检测和/或分析输出功率发电机端动力透平轴压气机轴输出功率扭矩和/或转速测量压气机转速不完全燃烧压气机结垢、叶片腐蚀和/或磨损燃料消耗量燃料质量流量测量总燃料流量各通道燃料流量燃料供应系统故障，分配到各个喷嘴流量不均匀性从输出功率、燃料热值和流热效率量间接确定热效率和/或电效率压气机结垢，叶片腐蚀和/或磨损燃烧不完全排气温度排气流量透平扩压器下游的排气道间接确定平均排气温度(单个值、平均值、最大偏差)通过能量和质量守恒余热利用的节点温差合理性燃烧系统问题使用余热锅炉时：蒸汽产量减少，补充燃烧增加注：其他参数见表57GB/T40739—2021/ISO19860:20055.3燃烧监测系统和排放监测系统燃烧监测系统和排放监测系统的任务是监测以下内容：——排放(包括污染物)(见表3)。因为目前无法直接监测燃烧本身过程，燃烧监测系统(CMS)需要监测表征---燃烧系统中的压力波动；直接或间接变量传感器应用位置用于趋势分析的测量数据故障监测和/或分析排气温度透平扩散器下游的排气道所有被记录的排气温度平均排气温度最大排气温度最小排气温度所有燃烧器不完全燃烧所有燃烧器的燃料供应不均匀燃烧系统的机械完整性(燃烧器、喷嘴等)排气温度的分布透平排气道下游中的控制截面排气温度分布和控制截面的相应位置功能块的定义波动燃烧室或者到透平的过渡段压力波动幅值压力波动频率带有强烈机械应力的火焰脉动会导致特别严重的机械共振和燃烧问题(如稀相火焰)----氮氧化物(NO₂)排放；一氧化碳(CO)排放；含氧量(通常通过氧气浓度测量获得含氧量，以将污染物浓度实测值折算到特定的基准条件);颗粒物或灰尘(液体燃料)。在湿度降低的情况下，EMS还能确定喷注系统(水或蒸汽)的状态。燃气轮机排放对环境的影响。8GB/T40739—2021/ISO19860:2005表3趋势监测参数——排放监测直接或间接变量传感器布置用于趋势分析的测量数据故障监测和/或分析NO,排放量排气道和/或烟囱中代表性的流动横截面处排气中NO,的含量(NO含量、NO₂含量)燃烧故障和/或NO,减排过程失效导致的过量污染物排放CO排放量排气道和/或烟囱中代表性的流动横截面处排气中CO的含量不完全燃烧造成的环境污染O₂的含量排气道和/或烟囱中代表性的流动横截面处排气中O,的含量—总有机化合物排气道和/或烟囱中代表性的流动横截面处TOC不完全燃烧造成的环境污染MMS和VMS根据燃气轮机设备的不同机械参数对其进行机械状态监测(见表5)。使用燃气轮机振动监测可以很大程度上减少(但绝不是完全)机组设备故障和损坏情况的发生，能够根据系统的实际情况进行维护工作(状态检修)。表4趋势监测参数——机械监测和振动监测直接或间接变量传感器布置用于趋势分析的测量数据故障监测和/或故障分析缸体或轴振动(结构声分析)缸体或轴振动传感器(加速度、速度探头)的位置和类型根据在缸体或者轴有代表性区域要求(耐温性、振幅和频率的测量范围、共振范围等)的测量任务决定给机器本体的趋势监视器信息，包括转速信息；定义频率范围的振动总最；咎阶谐波的振幅(例如由叶片、齿轮、监控滚珠轴承产生的振动);在起动和滑行期间记录轴的振幅及频率整体频谱(“瀑布图”);超过极限值时显示时间信号(“飞行数据记录器”)轴承问题(滚珠、内外滚阴);平衡变化；部件松动；燃烧室振动；叶片碰磨断裂；齿面间隙的变化；在所选频率范围内，加速度信号的毫秒级监视以及对机组跳机限值的处理可以作为安全监测系统中的补充部分，目的是防止或限制叶片受损，事件相关记录有助于事后对故障进行分析简单循环燃气轮机的典型数据列表见表5。表中参数的具体范围和约定的配套系统应由供应商和表5的参数以功能组的方式列出来，其定义符合ISO2314。传感器的安装位置取决于验收试验9GB/T40739—2021/ISO19860:2005测量参数记录人性能监测(PMS)排放监测(EMS)机械监测和振动监测(MMS和VMS)时间和日期×××环境环境压力××环境温度××相对湿度X×压气机入口位置PMS、EMS和MMS以及VWS的温度×××在运行中或故障中的进气加热和/或抽气加热指示×空气过滤器压力损失X消音器压力损失×压气机前的静压(导致总入口压力损失)×压气机流道静压力进口导叶前×轴承密封位置×冷却空气抽气口位置×放气口位置X叶片和/或扩散器之后温度X×冷却风口××叶片和/或扩散器之后X×燃烧室静压力燃烧室之前×缺烧室压力损失X压力振荡和/或脉动X空气/水冷却系统冷却空气温度XXX冷却空气流的静压×金属温度(直接或间接)×燃烧室×过渡段部件×GB/T40739—2021/ISO19860:2005表5(续)测量参数记录人性能监测(PMS)排放监测(EMS)机械监测和振动监测(MMS和VMS)透平叶片X排气扩散段扩散段中的静压×—排气温度××燃料系统 燃料质量流量 燃料压力×—燃料温度X一燃料成分(影响燃料低热值)X×一控制阀行程一×注水(若有)(质量流量、温度、压力)×X注蒸汽(若有)(质量流量、温度、压力)××换热器(若有)空气温度进口×××X排气温度进口×—×压力损失空气侧×排气侧×仪表和控制控制系统信号的位置可转导叶X×放气阀××各种阀门×防冰系统的启/停X性能数据总功率输出和/或扭矩××电网频率功率因数XXGB/T40739—2021/ISO19860:2005表5(续)测量参数记录人性能监测(PMS)排放监测(EMS)机械监测和振动机械数据速度××轴向位移和/或轴向推力×轴承轴承的轴瓦温度×密封空气的静压力×振动轴承座振动×轴振动X轴承箱体振动×润滑油系统润滑油温度×润滑油供应压力×润滑油过滤器和冷却器压差X物理-化学检查的润滑油状态(金属颗粒、磨损分析)×如果这个系统被使用，“×”表示分配给相应的监视系统，“”表示不分配给相应的监视系统5.6参数修正和验证燃气轮机的运行性能很大程度上取决于进气条件。为了对测量参数进行独立比较，数据应按厂家提供的经验校正曲线或者按照ISO3977-2规定的标准参考条件进行归一化处理。间积累的问题。如果这些不准确的测量值没有从采集数据中识别和消除，则采集的燃气轮机运行参数趋势是不准确的，甚至会得出错误的结论。在现代TMS中，通过数据验证可以避免这-直接数值数据验证；物理数据验证；表决系统选择信号验证；统计剔除法；直接数值数据验证可识别并消除超出容差范围的测量数据，通过对记录的数据点集进行多项式拟合来平滑趋势。GB/T40739—2021/ISO19860:2005物理数据验证是通过对过程子集的计算来验证测量的热力数据。为此，过程子集被细分为一系列封闭平衡的区域。通过对数据进行最小二乘拟合，求解一组质量和能量平衡方程。通过该方法，可以对当使用表决系统选择时，通常使用3个系统中的2个测量信号进行验证。迭代方法通常用于数据验证。测量数据使用趋势进行关联，并消除给定容差之外的值。然后用新6趋势监测系统范例附录C给出了一个现代趋势监测系统的原理图。该图整合了上述TMS的三个主要组成部分：性该原理图还包括了对存储测量数据的数据库访问，也可以使用以前采集的数据进行性能分析。数据能够用于统计和趋势分析以及支持干预决策；宜储存原始运行数据，以便客观记录操作过调访问数据的规则。在这些数据的基础上能够推导出燃气轮机的污垢系数(污染物)和老化系数，从而能够预测机组在不同工况下的老化性能。除了监视趋势外，数据库还能执行其他任务。例如所需参数的平均值。这些来自多台机组的计算数据也用于补充或修正业主甚至制造商的资料。另一方GB/T40739—2021/ISO19860:2005A.1概述在实际的运行机组中，通常只使用趋势监测系统(TMS)中的单个元素，比如供应商提供的振动传运行。往与排放监测系统(EMS)相结合。目前的发展趋势是将所描述系统中的所有功能组合起来，将组合起来的系统作为一个标准化的TMS。由不同监测系统组成标准化的TMS有以下特点：一组合成一个系统并与控制系统相交互；—--集成在控制系统中；--自动化；—长期运行。将需要在短期监测的运行参数(如转子-轴和轴承座的振动、燃烧系统测的运行参数(如效率)区分开来是很重要的。因此，在集成的现代自动标准化TMS系统中，对运行参数的数据采集分为高频和低频两种采集周期。TMS系统可以通过不同的时间间隔来分析数据甚至能够通过在翻新、大修或维修前后收集的数据来分析机组的性能改进和偏差问题。现在越来A.2性能监测系统的现状和发展趋势通过固定的时间间隔读取某单一参数是对燃气轮机热力参数的最简单监测。测量数据的评估是采—--燃气轮机的输出功率(直接测量);-热效率(通过燃料消耗间接计算);排气流量(通过燃气轮机的能量平衡间接计算)。部分负荷下的对类似数据的监测基本上局限于热效率和排气温度，这在很大程度上取决于输出功所有采集的燃气轮机热力数据必须修正为标准参考条件下的数据(见ISO3977-2),以便后续进行比较。保证条件或者ISO条件下的数据能作为参考数据。现在的性能监测系统(PMS)集成了参数修正算法，将系统采集的给定周期内的热力数据自动修正为标准参考条件(见ISO3977-2)下的数据，并将修正后的数据存储起来。操作人员能够根据需求调出GB/T40739—2021/ISO19860:2005为了生成趋势，将采集的热力学数据与标准参考条件(见ISO3977-2的规定)下的数据进行关联。可以选择标准数据：——燃气轮机在新的或清洁状态下的类似数据；——燃气轮机大修或检修后的数据。A.3燃烧监测系统和排放监测系统的现状和发展趋势A.3.1燃烧监测系统在大多数情况下，燃烧监测系统只监测对间接控制燃烧有重要意义的参数。除了燃气轮机的排气需要监测燃烧系统的压力振荡，尤其是DLN机型。在一定的工作条件下，相关系统可能会出现过监测燃烧的方式仅在测试运行或机组调试中使用。现在的燃烧监测系统能够识别与排气温度分散有密切关系的燃烧器。燃烧器与热电偶的关系由制A.3.2排放监测系统为所需的ISO标准条件(干燥条件下为15%O₂)。通常是在干燥条件下，通过冷却探头和分离冷凝水(可以忽略不计)。与性能监测系统(PMS)一样，在大多数常规系统中排放监测仅限于满负荷工况。对于干式NO排放监测系统都依赖于以下条件：——根据系统研发过程中的测量数据存储的曲线；—-燃料分配控制元件位置。A.4机械和振动监测系统的现状和发展趋势A.4.1概述参见GB/T20921、GB/T19873.1、GB/T19873.2、GB/T25742.1、GB/T22394和GA.4.2机械监测系统机械监测系统能应用于下列方面：转子系统轴向(推力)和径向轴承温度的测量和记录。GB/T40739—2021/ISO19860:2005 一个测点在回油侧。 耐磨轴承金属颗粒监测仪：监测金属磨损，以确定局部元件在油路中的磨损情况。在航改机 体影响润滑油纯度。 测量和记录燃烧室的振动或脉动(带有干于式低NO,燃烧室系统或DLN/DLE燃烧室的燃气避免燃烧室部件出现不可接受的应力。控制系统(如可变导叶、排气阀等)定位的测量和记录：采用传感器[如线性位移传感器(LVDTs)]或旋转位移传感器(RVDTs)测量压气机、透 扭矩和功率的测量和记录：在燃气轮机和驱动机械之间安装扭矩测量联轴器(仅适用于驱动压缩机和泵时)。A.4.3振动监测系统为被调整监测参数的函数，不能直接从标准振动监测仪测到。因此，需要使用基于快速傅里叶变换通常分析时需要考虑其他运行参数。应在任何机械改造之后(如维修)重新确认。在相同条件下检测燃气轮机设备上的所有潜在故障是不可能的。2)需要实验室等级的分析设备。GB/T40739—2021/ISO19860:2005(资料性)诊断系统B.1诊断系统诊断系统不是本文件所考虑的主要内容，但它被认为是趋势监测系统发展的未来方向。本附录旨在提供有关诊断系统的一些有用的通用资料。DS(见图B.1)可以获取TMS生成的信息，并利用这些信息得到系统的整体状态，例如某些子系统数据采集环境监测趋势检测诊断模块=因果关系模型(CEM)一经验CEM知识转换知识转换可能的用途使用一定的状态变量确定系统、子系统的状态一预防损失—根据运营、事件期间的特点清况，估算机组零件的“使用寿命”图B.1诊断系统(DS)磨损等结果的影响关系)。这些因果关系模型(CEMs)代表了监测系统的一个基本特征，能够作为一个基于知识库的系统发挥诊断作用(图B.1)。变化和运行条件的改变)。例如，执行良好的暴露于热气体的组件老化CEM应用见表B.1。GB/T40739—2021/ISO19860:2005原因影响温度引起的瞬时应力温度分布测量温度变化及其循环部件非稳态温度分布的计算机模拟(知识输入)材料中与时间和空间有关的应力表述对疲劳作用的描述，例如，一次遮断对某一部件的作用和对其寿命的减少—-优化维修投资；一定位已识别的故障。GB/T40739—2021/ISO19860:2005(资料性)趋势监测系统流程图C.1趋势监测系统流程趋势监测系统流程见图C.1。启动1.1边界条件(如：大气压，负荷)1.3污染(如：NO,)1.4发动机部件(如：应力，温度)6.趋势确定或其他工厂的测量获得(只读存储)GB/T40739—2021/ISO19860:2005见C.2.6.“见C.2.7。见C.2.11.h见C.2.8。图C.1(续)C.2趋势监测系统流程图说明燃气轮机内部及周围物理量数据的采集是实现燃气轮机状态监测和重要运行参数值时变分布检测换部件等的可视化控制)也可由操作员手动输人。在某些情况下，数据处理可以升级到图像处理级别。C.2.2边界条件(图C.1,第1.1项)力测量可以得到拖动负载的功率输出信息。C.2.3运行的热力学状态(图C.1,第1.2项)除了大气和负荷的边界条件外，燃气轮机设备运行时的热力学状态会影响机组参数的输出。例如，素决定的。C.2.4污染(图C.1,第1.3项)调整压气机导流叶片等来控制)。注水和排气净化可以作为减少污染的额外方法。C.2.5发动机零件(图C.1,第1.4项)构部件的应力和温度。C.2.6数据简化前的存储(图C.1,第2项)从基本的数据安全结构分析上看，本地和临时采集的运行数据宜以只读文件的形式提供给用户。如果需要对比机组的功率和效率，则需要将采集的数据修正到标准参考条件(见ISO3977-2)。在某些情况下，操作员可能对未经简化修正的原始数据感兴趣，可以将数据修正到其他标准参考条件(参见ISO3977-2)。例如，可以储存未修正到标准参考条件(ISO)3977-2或其他)之前机械转速和相应的环境GB/T40739—2021/ISO19860:2005C.2.7标准参考条件下的数据简化(图C.1,第3项)与功率输出和效率有关的运行环境数据需要修正到标准参考条件(ISO3977-2)。一般情况下，基于ISO标准条件(p=101,3kPa,T=288.15K,环境空气的相对湿度φ=60%),其他参考条件下，对于在非设计条件下比较相同类型的多个机组或来自同一机组变工况状态下的数据是有意义的。停机后热启动能力的时间间隔和低环境温度下轴向推力在这种情况下有可能考虑。C.2.8标准参考条件下的数据存储(图C.1,第4项)为避免重复记录数据，标准参考条件下的数据存储结果可作为参考数据保存起来(如标准参考条件C.2.9真实值和目标值之间的比较(图C.1,第5项)机组运行时进行的数据测量可以反映设备的实际情况。将采集到的数据修正到标准条件可以确定口压力下降等。这些不仅为趋势监测提供了基础，还为今后的设备维护需求提供支持。C.2.10趋势制定(图C.1,第6项)可以将获得的数据与存储的历史信息进行比较。通过比较可以确定环境温度、功率等其他工程参数随时间、运转小时数的梯度(例如由于污垢导致的运行时间内功率损失)。诊断结论是通过比较实际数据与参考数据库的计算结果得到的；诊断结果宜随着系统运行经验的C.2.12数据输出显示(图C.1,第8项)提高数据处理的自动化程度可以减少纸质文件量(例如带数字的表格、图表)。为了更简便的访问数据库也便于进行计算机的后续计算处理，数字格式储存技术将是以后的发展方向。打印纸张形式进行显示和监视。在这种情况下，与机组安全运行至关重要的数据应以连续或间歇的方式自动出现，以便让操作人员了解机组运行情况，并根据具体情况作出不同的操作。光学报警是必备C.2.12.2结果显示工作人员可根据需求调取计算结果(例如通过菜单的选择),若有其他目的，可以用特殊格式编程。为保障客户或制造商的资料安全，可以在存档及文件方面增加冗余的条例(例如同时以纸张及电子形式存档)。GB/T40739—2021/ISO19860:2005C.2.13必要的行动决策(图C.1第9项)C.2.13.1自动措施诊断系统监视着