一种基于控制图的燃气轮机压气机性能评价方法

贾广博，周登极，张会生

● （上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240）

一种基于控制图的燃气轮机压气机性能评价方法

贾广博，周登极，张会生

● （上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240）

介绍了对象燃气轮机的结构、状态监测系统，并在MATLAB软件仿真平台上开发了基于监测参数的燃机性能计算程序，发现随着机组工作时间的累积，燃气轮机压气机效率有着明显的降级。为了科学有效地评价降级，将工程管理中的控制图法运用到压气机性能的评价工作中，分析了机组某次停机水洗前后的性能变化。以压气机效率为控制图特征值，发现水洗前压气机效率处于“失控状态”，水洗后压气机效率重新回到“受控状态”。结果表明：控制图法可以反映燃气轮机运行过程中的性能变化情况，依据控制图法判断机组工作过程是否异常，可为燃气轮机的维护工作提供帮助。

燃气轮机；性能计算模型；控制图；水洗

0 引言

燃气轮机动力装置早在50年代开始用于船舰，燃气轮机作为船舶动力的核心设备，其性能决定了船舰的动力性能与运营成本。目前大部分燃气轮机均配备完善的状态监测系统，对于表征机组运行状态的关键参数都有实时监控。笔者在获得机组各部件运行数据的基础上，开发燃气轮机性能计算平台，并引入工程管理中的控制图方法主要针对燃气轮机压气机的性能进行评价。

1 基于监测参数的燃机性能计算平台

1.1 燃气轮机结构

本文的对象燃机机组为双转子结构，由单转子燃气发生器和自由动力涡轮转子组成。燃气发生器包括压气机、燃烧室和高压涡轮。进入燃气轮机的气体经过压气机之后送入燃烧室与燃料混合燃烧得到高温高压燃气进入透平膨胀，动力涡轮则为船舶提供驱动力。压气机、涡轮和燃烧室之间通过管路连接，涡轮与压气机及负荷机械联动，部件之间有着紧密的机械联系和复杂的热力气动联系。该型号机组各截面参数如图1所示。

图1 对象燃气轮机结构

1.2 燃气轮机状态监测系统

目前对象燃气轮机已配备了完善的状态监测系统，无论是对燃气轮机本体还是辅助系统都有一系列的测点，对于表征系统运行状态和安全性的关键参数都有实时监控。P1、T1、P2、T2、P3、T3、P4、T4、P5、T5分别代表图中各截面对应的压力和温度，P0、T0表示当地大气压力与温度。除了燃烧室出口温度和压力（P3，T3）没有相应的测量仪表，其它参数均可方便地记录保存下来，作为稳态模型的计算的输入量，计算分析燃气轮机的性能[1]。

1.3 燃气轮机性能计算模型

本文计算程序包括压气机模块，燃烧室模块，燃气涡轮模块和动力涡轮模块，可由气体流程：进气道-压气机-燃烧室-高压涡轮-动力涡轮，按计算链顺序进行计算，可分别得到压气机效率、高压涡轮效率、动力涡轮效率、机组热效率以及机组功率等性能参数。

以压气机部件为例，压气机利用高速旋转的叶片对从进气道流入的空气做功，从而通过压缩空气来增加气体的压强和动能，使进入燃烧室的气体总压达到有利于燃料充分燃烧需要的压力值。进出口压力比值求得压气机增压比π=P2/P1，由式ψ2i-ψ1=1gπ得压气机出口理想熵函数ψ2i；由变比热拟合公式，分别求得压气机理想过程出口温度和焓值T2i、H2i，压气机实际过程出口焓值H2和熵函数ψ2；根据压气机效率的定义，压气机效率等于压气机理想焓增与实际焓增之比：

2详细介绍了燃气轮机性能计算的过程，其它部件模块本文不再赘述[2]。以对象燃气轮机 2011年和2012年同期的两段连续的运行数据为输入量，同一时期的数据可在最大程度上规避大气温度、压力等运行环境对性能计算的影响，得到燃气轮机压气机效率的计算结果如图2所示。

图2 燃气轮机压气机性能计算结果

由于燃气轮机要承受高温、高转速、不均匀的热负荷、转子不平衡等不良作用，随着燃气轮机机组工作时间的累积，机组压气机效率发生显著衰减。作为燃气轮机的核心部件，压气机的效率很大程度上左右燃气轮机循环的经济性，为了尽可能延缓机组性能下降，需要采取必要措施如水洗等等，如何采用科学的手段来判定燃气轮机是否需要水洗十分关键。

2 控制图评价燃气发生器性能

2.1 控制图法介绍

2.1.1 控制图法的概述

控制图（control chart）又被称为质量评价图。因为生产过程不可能是一成不变的，由于各种随机因素的作用，产品的质量特性值或大或小地波动是不可避免的，也是允许的。当由于某种因素的作用，产品质量特性值超出了允许波动范围时，这就有必要把质量特性值变动情况记录下来，用来描述产品质量特性值的点状图就称为控制图。

控制图的作用是对产品质量评估分析，在质量控制领域应用广泛，地位重要。以统计学原理为基础的控制图工具最初被应用于对大批量生产的零件的质量检测，随着其不断发展完善，逐步推广应用到医药、测量、化学分析、材料利用率等相关领域，成为现代化生产中不可或缺的重要管理工具[3]。

2.1.2 控制图的要素与原理

控制图的控制图的3σ原理如图3所示。

图3 控制图的3σ原理

图中：

纵坐标：数据（质量特性值或其统计量）；

横坐标：按时间顺序抽样的样本编号；

中心线（CL，Central Line）：即样本数据平均值，设X1，X2……Xn是一个大小为n的样本，则X=（X1，X2……Xn)/n；

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

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

控制图基于统计学3σ原理提出的。经研究表明，它对检测生产过程存在的异常点现象效果明显。当过程处于受控状态时，产品总体的质量特性数据的分布一般服从正态分布规律。由正态分布规律可知，质量指标落在土 3σ范围内的概率约为99.73%，落在士3σ范围外的概率只有0.27%，这是一个小概率。按照小事件原理，在一次实践中超出士3σ范围的小概率事件几乎是不会发生的。若发生了，则说明工序已不稳定，就是说过程中一定有系统性原因在起作用。这时，应追查原因，采取措施，使工序恢复到稳定状态[4]。

2.2 控制图法评价准则

应用控制图的目的是为了使生产过程或工作过程处于“控制状态”，控制状态（稳定状态）指工作过程的波动在正常范围之内，被检测机组工作状态在一定时间内没有大的波动；反之则为非控制状态或异常状态。

通常判断工作过程是否处于“失控状态”有如下准则：一部分样本点超出控制界限；

如果没有样本点出界，但样本点排列和分布异常，也说明生产过程状态失控。比如：

连续7个点或7点以上出现在中心线一侧；

连续11点至少有10点出现在中心线一侧；

连续14点至少有12点出现在中心线一侧[5]。

2.3 控制图法的应用

燃气轮机性能的评价可以类似于产品生产过程的质量检查。压气机在运行过程中由于吸入的空气中所含的污染物在气流通道上不断沉积，随着运行时间的增加，效率必然不断下降，并且机组运行越来越不稳定，最终落到控制线范围之外。控制图可反映压气机性能特征值（效率）随时间的变化，依此来判断燃气轮机运行过程是否异常。

选取对象燃气轮机在水洗前、后设计工况下的两段连续运行数据作为模型输入量。经模型计算可分别得到两组压气机的效率，图4是以压气机效率作为特征值的特性图。

由图可知：

1）水洗前压气机效率的均值为0.877，水洗后压气机效率均值为 0.881。水洗后压气机的效率均值较水洗前有了显著的提高。

2）水洗前，压气机效率特征值已越过下控制线，并且连续9点处在中心线的同侧（图4中红色标记），由此判定机组呈现标准的“失控状态”；而水洗后的控制图无异常，说明压气机工作情况明显趋于稳定，再次恢复到“控制状态”。 水洗维护工作可在一定程度上缓解压气机性能的恶化。水洗后，燃气轮机的经济性有了显著的提高。再根据控制图，长期运行的机组压气机效率组成的控制图处于“失控状态”，而水洗后该机组压气机效率组成的控制图处于“稳定状态”，水洗后机组运行的也稳定性也大大提高。

图4 水洗前后的压气机效率控制图

3 结论

1）本文开发了一个基于状态监测参数的燃气轮机性能计算平台，发现随着机组工作时间的累计，机组压气机效率会产生明显的降级；

2）将控制图工具应用到燃气轮机压气机性能的评价，算例结果印证了控制图稳定与否与压气机性能的对应关系；

3）控制图法分析压气机性能可为燃气轮机的水洗时机提供参考，但不能完全依此确定水洗频率，这是因为还需综合考虑压气机效率下降对机组经济成本的影响。

参考文献：

[1]周会芳.燃气轮机运行中的性能监测[J].燃气轮机技术,2004(1):61-64.

[2]朱行健,王雪瑜.燃气轮机工作原理及性能[M].北京:科学出版社,1992.

[3]刘桂珍,顾立志.质量管理[M].北京:国防工业出版社,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

贾广博（1987-），男，硕士研究生。主要研究领域为燃气轮机的维护与仿真模拟。