燃气轮机性能分析诊断：评论
——翻译稿
摘要
伴随着燃气轮机的发展，燃气轮机诊断技术也历史悠久。早期我们通过技术手册上的制造信息和维修上的经验来进行燃气轮机故障诊断。在20世纪60年代晚期Urban引入了气道分析，这无疑使燃气轮机诊断取得重大突破。从那时起，各种被用于航空工业的不同分析手段相继出现。目前也有大量此领域的论文相继发表。本文试图作一个较为全面的梳理，针对目前各种已发表的关于燃气轮机故障诊断技术的轮机性能分析。
1.简介
由于气道部件在运行过程中的恶化，燃气轮机性能就会下降。最常见的引起性能下降的原因有：压气机阻塞，长期磨损和侵蚀造成的叶片顶端间隙增加，复杂垫圈损坏，内外部件耗损，热端部件损害以及材料腐蚀等。这些物理的故障造成了燃气轮机可测性能参数（效率，流量）的变化，又使得其他可测机器参数，包括温度，压力，转速以及燃料流量的变化。我们可以从这些测量值中去探测到性能的下降并发现部件的故障，正如Urban所提出的关系如图1所示。为保证燃气轮机运行的稳定性，有效维护必不可少。随着燃气轮机诊断技术的发展，轮机维护已经从被动预防转变为基于轮机健康监视和故障诊断的稳定性维护。
目前对于燃气轮机工况监测和故障诊断有多种途径，例如性能分析，油量分析，可视化检查，管路检查，X光诊断，涡流诊断，振动监测，随便监测，噪声监测和涡轮排气监测等等。基于性能分析的诊断是其中最为有效的工具之一，通过这种方法，对燃气轮机气道参数的分析提供了燃气气道部件巨大衰退的信息。
气路分析（GPA）是在1967年由Urban第一次引入线性模型的方法，紧接着又派生出不同的方式，例如最优化模型。为了把机器部分非线性化的特点考虑进来，在1990年Stamatis等人引入了结合传统最优化的非线性模型。不幸的是，传统的最优化方法只能是在局部最优化处得到结论。近年来，这种非线性模型的不足已经被传统遗传算法所克服，这是由Zedda和Singh提出的。在1965年由Denny引入神经网络算法到燃气轮机故障诊断的应用中，并在1989年后得到充分发展和广泛运用。它有着这样的优势，建立神经网络是需要轮机试验知识，但一旦网络建立后，诊断计算变得非常快捷。燃气轮机专家诊断系统的运用可以追述到20世纪80年代早期，这种专家系统仍是目前最好的燃气轮机故障诊断方法之一，并不断地发展着。目前更多专家系统燃气轮机诊断的进展都是基于模糊专家系统的，这是由Fuster和Siu等人在1997年引入的。大多数诊断方法是基于燃气轮机稳态工况测量。在20世纪80年代晚期一些诊断信息已经采用了机器过渡工况的测量值，但基于过渡工况的数据诊断方法还有待发展。
数据误差和测量扰动引起数据在真值附近波动是导致故障诊断不准的另外一个原因。通过平均测量和过滤技术手段能有效降低由于测量扰动引起的影响，并能提高诊断精度。
在本文中，对燃气轮机基于性能分析的诊断方法的技术发展和在公开资料中的出版进行梳理和评价，包括数据的精度和不同燃气轮机故障诊断技术。主要的燃气轮机诊断方法包括，线性模型，非线性模型，人工智能（神经网络，遗传算法和专家系统），模糊逻辑模型以及基于过渡工况数据的故障诊断。
2.数据精度（可靠性）
燃气轮机故障诊断是基于对部件实际特性与理论特性的偏差进行分析的。只能通过实际测量才能得到具体信息。整个诊断系统的精度部分地取决于测量的品质。不幸的是，测量数据常常被传感器噪声、扰动，测量仪器的衰退以及人为误差所影响。为了提高诊断结果的可靠性，在输入到诊断系统前，先对测量数据进行排查和校正显得十分重要。
一般而言，被测量参数的数据再起真值附近波动，且能够用概率密度函数来表述。一个参数的真值可以用它的平均值来估计。所以一般使用移动平均法，即一个平均值包含某测试点的多个算数平均值。移动平均值法的缺点在于它没有使用初始点，并且对趋势变化响应缓慢。相对于10个移动平均值的指数平均值由Deplod和Gass引入来降低测量噪声。用带有15%已知数据的新数据点来代替了新数据。经证明用指数平均数据来降低噪声更为显著，且指数平均值对于数据变化的响应优于滚动平均值。近来，Ganguli探索了不同的数据过滤方法，用来保存可以反映燃气轮机测量值变化趋势的锐边上，移除数据中的噪声。与线性化过滤先比，非线性化过滤，FIR，中值混合过滤法被发现有着更好的精度表现在噪声数据中搜寻基础信号。一个良好的标量形式的气道测量残差可以用来区别故障机器与正常机器。
由Roemer和Mattern等人提出的自关联神经网络也可被用于过滤测量噪声，以提高输入数据的品质。由Lu等人提出的二阶段神经网络算法在燃气轮机高级应用中得到发展。其中一阶段是建立噪声过滤和基于后遗传算法的自匹配的自关联神经网络。第二阶段是使用基于上述网络的最优化程序来实现偏移量的诊断和校正。众所周知，AANN（自关联神经网络）是一种有效的对原始数据的噪声过滤的方法，且对于提高诊断系统的精度极为重要。
对于那些运行在绝对温度较高的环境中的燃气轮机，空气温度对部件参数偏差的影响不亚于由于效率引起的偏差，因此得到的诊断精度将会下降。Mathioudakis和Tsalavoutas建议引入以降低空气温度对测量数据影响的校正方法。
3.线性模型
燃气轮机独立参数（例如气道压力，温度，冲力和质量流量等）和非独立参数（例如压比，某部件的流量和效率）的关系式高度非线性化的。为了简化这一问题，将提出一下的在某一个运行点上的线性估计。
z?=H?x?
基于这样的假定，Urban于1967年提出了GPA方法，并且他针对燃气轮机条件监控和多重故障诊断有更为详细的论述。Smetana对GPA作了评估。这种GPA方式已广泛应用于实际之中。通过这种方法，我们可以用线性影响因素矩阵ICM来表述轮机实测参数与不可实测参数之间的关系。
?z?=H??x??
所以轮机部件参数的偏移量可以用故障系数矩阵来计算，就是影响系数矩阵的逆矩阵。
?x??=H?1??z?
故障系数的得到是依赖于已知部件损坏的推导。这种方法理论上简单且能够提高轮机诊断的应急结果。它也有着故障隔离，量化和多重故障诊断的优点。不幸的是，它所需达到的条件极为苛刻：需要能够精确描述轮机性能的影响系数矩阵的，且免于故障和噪声的传感器，与轮机部件参数量相等的不相关的测量值和准确测量位置的选取。此外，拖尾效应也可能会降低诊断结果的精度。
通过使用最优化估计原理来估计delta_x值也取得了进展，例如最小偏差（或最大可行域）估计，甲醛最小平方，最大归纳法和Kalman过滤。Grewal曾对最优估计在燃气轮机的应用作了较为细致的分析。测量噪声也被考虑在内了。通过比较在单一故障诊断下的Kalman过滤和神经网络两种方法：神经网络比Kalman 过滤方法要略好一些。Kalman过滤方法的另外一个问题在于在少数部件参数变化或整体变化中高阶偏差中的真实变化会造成拖尾的影响。由Provost引入的改进型Kalman过滤系统（也被称为集中器）克服了上述问题。Kong和Ki对于基于Kalman过滤估计的线性和非线性GPA测量参数选择了进行了评估，得到了这样的结论：随着测量参数种类和数量的增加，以及参数测量的适当筛选，诊断系统的可靠性有所提升。
为了使不同GPA方法有均有效，所测量的参数量不能少于诊断预估的参数个数。这个要求由于有限的可测量，一般很难达到要求。为了克服这个问题，由Stamatis，Papailiou等人提出了独立运行条件下的GPA。
Kalman过滤算法也被运用于诊断燃气轮机的瞬态数据，在接下来的章节中将会详述。
4.非线性模型
线性模型假定了燃气轮机运行中，诊断过程的线性表型是线性的，但是这与实际情况不符。为了将轮机运行中的高度线性化考虑在内，我们引入了非线性诊断模型。这一诊断方法是基于过去50多年来轮机性能发展的稳态工况下的精确建模的非线性。燃气轮机的建模技术得到了敖阔Bird，Shwartz和Sanghi等专家的评估。在稳态工况中，燃气轮机的独立变量与非独立变量可用非线性关系表述。
z?=F(x??)?v?
非线性模型的概念从图1中可见。真实的轮机不见参数变量x决定了轮机性能可测量z，通过预估初值x，轮机模型提供了一个预测的性能可测量z。通过最优化的方法来使目标函数值达到最小值。
Objection Function=∑?(∥z i????z i????∥)
i
也就是函数e，真实可测量值z与预估的可测量值z的差值。通过反复迭代求解得到目标函数的最小值，从而得到部件参数x针对真实x的值。
House应用了这种基于urban理论的非线性诊断法的非线性迭代方法于单转子直升机燃气轮机。进一步的研究则由Escher配合N-R技术和计算机代码得以发展。
Stamatis等人提出了燃气轮机性能精确仿真模型，它可以应用于轮机的各种特性。在这种方法中，采用了修正因子，它是部件特性图谱中参数与实际图像中的比值。通过非线性化的最小残差法，我们可以得到每一个部件的修正因子。通过观察名义上和实际轮机运行中的参数因子的变化，就可以找到轮机故障的种类和具体位置。也可以用适当的修正因子的选取来诊断轮机部件与传感器的故障。Lambiris等人在最优化工程中引入误差加权函数和凸多面体算法（下山算法）。Stamatis等人引入灵敏测量和基于最优化中的异常值分解的快速选择进程。Tsalavoutas等人也研发了相似的方法来得到两轴燃气轮机的诊断信息和诊断分析。采用最小二乘法的轮机动力参数的直接改进是由Santa提出为达到诊断目的，参数中变化用于帮助部件故障定位。
Cousumi和d'Agostino提出了用于监测燃气轮机运行条件的，基于最大可行域估计的统计推论，其中假定了每一个确定参数的概念密度函数。轮机部件参数偏移量通过最大化可测数据的可行域来得到，其数据建立了关于轮机名义数据残差平方和最小值之上。最优化也有各式各样的方法，例如Davidon-Fletcher-Power 法，相较于N-R法和两部性能算法以及由Biagioni和Cinotti提出的L-M法。传感器的噪声被证明对诊断结果有着重大影响。
Bettocchi和Spina将计算值和测量值的残差的平方和作为他们鼓掌诊断的目标函数。轮机部件参数的偏差通过使用LMSL数学方法来最小化目标参数得到。Chen和Zhu通过对单个或多个鼓掌的飞机发动机（包括噪声测量）进行了带权的最小平方估计诊断。当可测量值数大于可调节参数量时，引入了可调节技术来最小化加权误差平方和。另外一种非线性模型是由Grodent和Navez提出的参数估计法。它包含两个部分：第一部分处理可产生残差的参数估计，然后对数据进行统计分析以区分正常和故障的参数。在估计过程中采用了适当的目标函数带Bayesian法的最小化。
非线性最优化燃气轮机诊断也可以使用遗传算法，这将在下一章中详述。
5.人工智能模型
5.1.人工神经网络
神经网络是大量分散，并行的，由单个处理单元组成，它能够天然地储存试验知识，并提供使用的处理器。早期由Denny和Dietz等人将神经网络应用于飞机发动机的诊断上。Whitehead等人也将其应用于太空中的主发动机。自从那以后，不同的神经网络系统被应用于燃气轮机故障探测，诊断和调节上。
最常用的在轮机中的人工神经网络是FFBP网络，如图3布置了一个典型的布置图，一个监控网络，其中传感器数据遍布输入，输出层。当计算出的误差从后方传递并被用来调节神经元的触点，以更好地工作。一般来说，这样的网路包含：输入神经元提供的输入值在输入层面中布置开来，一个活多个隐层，借此函数关系式用一套相关的权的神经元所表述以及一个输出层，其输出神经元用来接收输出值。网络的成型是通过一套被称为bp的学习算法实现的，其中基于输入输出模型来调节权重。多名研究员采用了针对燃气轮机诊断的FFBP神经网络系统，里面就有Eustace，Torella和Lombardo，Kanelopoulios等人，Torella，Roemer，
Tang等人，Cifaldi和Chokani，Zedda和Singh，Volponi等人，Sun等人，Lu等人，Kobayashi和Simon等等。Torella和Lombardo提出了一个学习速率因子的计算式，用以描述BPNNde学习速率。Kanelopoulos等人提出局部网络建立以实现逐步对传感器和部件进行故障诊断。Zedda和Singh引入模块化神经网络系统去解决大规模诊断问题和将其应用于Garrett的TFE1042发动机。这类方法有着网络复杂，学习训练时间较长的缺陷。通过比较FFBPNN与基于Kalman过滤方法的燃气轮机单故障线性诊断系统，这样的网络方法就精度而言不比Kalman方法好。Volponi 等人引入混合神经网络，其中部分网络模型被影响系数取代，此时的精度相比BP与Kalman过滤方法也让人满意。Sun等人使用混合训练法则来提高其收敛性。Lu等人比较相同结果的两种FFBPNN，其中一个是四个输入值，另外一个是八个输入值，结果显示两者达到同样好的效果。Kobayashi和Simon将FFNN应用于他们的混合诊断技术，其中神经网络被用于估计轮机正常参量，遗传算法被用于传感器偏差的探测和估计。
除此之外，不同的非监控竞争学习型神经网络被用于故障诊断。他们的共同点是有一层网络专门来找单一最优点。而竞争学习型网络包含有两个方面，一个同样也是用以寻找最优单元而另外一个用以更新链接以匹配最优单元。下面就介绍下竞争型神经网络在轮机诊断中的应用。
第一种类型是概率神经网络（PNN），由径向基础功能的神经网络演化而来，是由Eustace，Merrington和Patel等人提出的。网络的培育是一个监控学习的过程，其中PNN把培育模式进行分类。PNN实际是Bayesian统计的应用网络，不需要通过培育就可以把以前阶段的数据学习成果直接作为数学系数存入网络之中。当新的模式被输入网络后，我们就可以计算出输入模型和已储存的中心欧式距离了。然后将这一距离通过密度函数转化为概率；距离越小，概率也就越高，反之亦然。通过比较各个阶段的匹配程度，概率最高的那种情况也就是最有可能的情况了。将这一方法应用于一大类论集中，结果显示，即使由于故障引起的参数变化量比轮机本身变量间的差异小时，也能进行故障诊断。Sun等人又引入了可以调节概率型神经网络（APNN），通过最大可行域估计来获取最优的Bayesian 估计；并且此方法更具调节性，适用于多故障的量化分析。
第二类是由Kohonen发展的自组织图谱（SOM），其中神经网络元被设置在网络的各个节点上，一般是一维或者二维的。在竞争学习中，神经网络元有选择性地转化为不同模块。自组织图谱的特点在于输入模块图谱的形成中，网络中神经元的空间定位是依托于包含在输入模块中的统计信息。Roemer提出了实时轮机健康监测和诊断系统。这个诊断系统同时采用了自组织神经网络图谱和智能化网络分类。SOM系统针对初始模块簇，认为相似模块和智能BP网络把图谱上的联合定位分类为特殊诊断。
第三类是由Kohonen设计的学习向量的量化网络（LVQ），它是一种竞争性的神经网络，其中把泰森多边形点定义为划分输入空间，相对应的一整套泰森多边形矢量被定义为点的指向。在学习机制中，输入矢量是在输入域中随机选取的。如果选取的向量与泰森多边形矢量吻合，泰森多边形矢量就被移入输入矢量中，否则则被移出去。由Eustace引入的这一网络被应用于F404涡轮风扇机。它有一个输入层，一个隐层和一个输出层。输入层接受输入模块，隐层中的每一个都被与输出层相连。每一个隐层中的神经元带有输入神经元的权，表示了耽搁或无故障条件。网络由简单故障和无故障模块发展而来。当多个未知数据输入网络，隐层中的神经元就会比较输入轮机的参数和自身带有权的参数。当一个神经元比较
得到了最优点，则将元的数值作为诊断结果输出到相应的输出神经元，此时要求其他元的输出值为零。通过比较LVQ和BP网络，我们可以看到两者都能达到较高的精度。LVQ网络的优势在于智能化速度快，不过BP网络给出的诊断结果可靠性更高。
结合了监控和非监控学习的混合方案就是CPN，由Hecht-Hielsen提出的FF 竞争型网络，并由Forella将其应用于轮机诊断中。这类神经网络是基于输入，聚合，输出层的结合，特别适用于模块识别。这样的网络智能化需要两步完成：第一步中，非监控竞争型学习机制，此类模块被采用，只有隐层中的神经元被激活，起作用，并来激活输入值。第二步中，通过监控学习型过程，结合隐层中的权重信息输出经过调解获取的对应于当时的输入模块的最终结果。Torella成功地将其应用于单轴涡轮螺旋桨发动机，并验证其处于健康状况。
Grossbery提出的可调节反馈理论网络（ART），可以实时地将一未知的输入模块进行稳定地测序。Torella等人将其应用于燃气轮机故障定位与诊断。这样的结构可以对未知输入模块实时地测序。用三组不同的神经元组成网络，构成两层，其中每一层的节点都是和另一层节点相连。第一层获取输入信息，第二层集合相类信息以聚合信息。这一网络是竞争型的。在第一层和激活簇间稳定的震荡，直到被选中合适的簇。ART有两种类型，ART1基于二进制输入，能够进行故障的检测和轮机性能趋势的分析，ART2则是实数型数据构成，允许轮机故障诊断的执行。ART网络还有着无需重复进行智能化过程的学习新模块的能力。但它对于在每一个簇中储存模块的能力有限，因为不同故障相关的类似模块被储存在同一个单元中。
与固定结构的神经网络不同，资源分配型网络（RAN）有能力去按需要分配神经元，如需要更多的模块去执行智能化的任务。RAN中的一种是自学习RBF 网络，由Patel等人和Arkov等人应用于燃气轮机诊断。当新的故障模块被要求去呈现时，可以通过增加新的隐层神经元和输出元让网络自发成长。该模块可以借由比较每一个隐层中的节点反馈和预先定义的门槛来进行进一步的开发。
另外一种RAN网络应用于燃气轮机的诊断是RCC神经网络，由Fahlman和Lebiere开发的监控型神经网络。由Tang等人针对喷气式发动机故障诊断来与BPNN进行比较评估。RCC与BPNN的结构和特点均有所不同，与BPNN相比也有很多优势。在RCC网络中，非邻近的层相关联，而在每一个隐层中只有一个神经元。且RCC网络不存在BP网络的不收敛问题。RCC网络的权重初始值是自动确定的以较于不同智能化进程有着不同数目的隐层，所以RCC的收敛速度得以改善。在RCC网络中，当其余层的权重不变时，只有一个层的权重数据可以改变，这使得学习速率得以提升，收敛速度也比BP网络快。总结而言，RCC网络在故障诊断方面与BP相差无几，并没有被缓慢的学习速率拖累。因而可以在实际轮机故障中代替BP网络，也同时满足了快速与精度所需的苛刻条件。但BP网络较RCC网络发展更为健全。
5.2.遗传算法
所谓遗传算法（GA）的诊断是基于在理论上类似于前一部分所描述的非线性模型。换句话说，GA是被应用于一种有效的最优化工具来获取一组轮机部件参数，用以来根据测量得到的数据匹配得到一组用非线性燃气轮轮机模型得出的轮机独立部件参数的预测值。通过获得测量值与预测值之间的目标函数的最小值得到最终解。
GA是一套搜索和最优化的技术。与经典计算的最优化方法相比，GA有这样几项特点：无需求导，所以任何非光滑函数都可以处理最优问题；约束可以通过多种方式处理，例如：利用罚函数或是其他特定的方法；通过使用全局搜索来避免在局部最小化是受阻；采用概率型而不是确定型转移规则来从当前的分支中创造下一代。在GA中一般采用三步，第一步根据“适者生存”的法则来挑选下一代的“基因”的选择过程；第二步，交叉过程，允许通过交换参数变量所包含的分支信息来取得更合适的分支；第三步，突变过程，引入新的或是过程中丢失的信息，这种方法是随机过程，对应的也是随机的部件。
由Zedda和Singh提出了燃气轮机和传感器诊断系统中的测量干扰和偏差。我们通过GA代码实时地对目标函数进行最优化从而进行估计。这种技术唯一的统计假定涉及到测量干扰和所允许的故障器和轮机部件数的最大值。这种方法适用于具备相对而言较多的测量值的轮机。它能够很好地应用在三轴军用涡轮风扇发动机机RB199和两轴低旁通军用涡轮风扇发动机EJ200。
Gulati，Zedda和Singh以及Gulati，Taylor和Singh，他们将多点故障诊断方法和GA方法相结合，创立一种基于GA模型的多个运行点分析的燃气轮机故障诊断方法。这种方法适用于只提供有限仪器时的诊断问题。被应用于RB199发动机时，显示出良好的运行结果。Gronstedt将相似的方法应用于PW100轮机，其中用梯度法去改善了估计值。
5.3.专家系统
专家系统是一套电脑程序，它可以根据相关行业的专家针对为题提出解决方案和给予建议。它通常是通过收集知识库建立起来，并能在参考轮机上测试。空的知识库来自于被称为壳的程序。终端应用的使用者通过被输入信息的参考轮机与可程序交互，以此来回答问题，解决难题或是提供建议。典型的专家系统的构成如图6所示，目前已有各式各样的专家系统了，例如基于控制规则型，基于模型化和基于案例型的系统。由Doel和Lapierre对专家系统在燃气轮机故障诊断上给出了评论。Doel总结到专家系统技术不是将飞机发动机诊断和维护进程更智能化而是它们能使在基础上加入新的功能，让诊断系统更为有效和便捷。
人们对燃气轮机故障诊断最早采用的是通过比较测量参数和制造商提供的默认值的偏差来分析的。这实际上就是一种模型匹配。专家系统方法中的一种。Winston等人，Dundas等人以及最近的Lee和Singh和Siu等人对此进行了更进一步的模型匹配。
目前最流行的燃气轮机古装诊断专家系统是采用基于知识理论和规则的。采用此类专家系统的典型案例就是针对Lycoming T53轮机的ENGDOC，针对直升机的双引擎燃气轮涡轮，HELIX，针对TF-34轮机的TIGER，针对TF30轮机的IFDIS 以及针对直升机发动机的SHERLOCK等等。最近，这种方法又被Vivian和Singh，Torella，Charchalis和Koreczewski，Depold和Gass，Diao和Passino，Forsyth，Delaney 和Pettigrew，以及Hamilton和Winston等人进一步发展应用到轮机诊断中去。在他们的专家系统中，应用了de Kleer和Brown的定性分析。Meher-Homji等人提出一套混合专家系统，其中专家系统和GA方法同时应用于燃气轮机工况的监测与诊断中。参考轮机的故障一般是由比较轮机部件参数与预设值的偏差得到的。Pettigrew以你如了6 sigma方法，其中待测轮机的数据变化符合正态分布函数6 sigma的精度要求以满足了轮机的运行，并且6 sigma被用于高风险的标准。
专家系统也可以处理未知的新问题，它通过使用概率理论，模糊逻辑和信任
函数的方式。Breese等人提出使用结合Bayesian信任域网络和基于模型的热动分析的专家系统来测试GE-model MS7001商用燃气轮机。Palmar提出了针对CF6型轮机的诊断系统的Bayesian信任域网格的知识库。这是一种通过图形显示的概率分布，它显示出了预设因子，故障和故障表现之间的因果关系。采用Bayesian 信任域网络有利有弊。Depold和Gass在他们的专家系统中采用这种Bayesian型的统计迹象方法来反应出燃气轮机参数的不确定性。Mast等人应用不同的Bayesian信任域网络于不同的GE CFM56-7轮机的运行空间，来获取需要的诊断精度等级。更多详细的涡轮风扇发动机诊断的Bayesian简单网络（BNN）分析由Romessis等人给出。
由Patel等人和Arkov等人提出了静态模型的分析方法，其中燃气轮机状态观测由概率密度或直方图的形式表现，并且一旦与正常工况相比出现的偏差都能通过图表中的低可能区域给出。由Ghiocel和Roemer提出了概率故障诊断的方法，并由Roemer等人进一步发展和应用。在这种方法中，用概率密度函数去描述与概括被监测的故障数据的值。通过比较监测数据点与故障数据点在5个空间参数距离，看是否在预设的安全域内以判断故障。一旦非正常点被探测出，我们就要去比较当前测量参数的分布与每一个单一故障的分布，确定两者之间的重合程度。这样通过比对故障库中与现测量数据的故障分布就能确定故障了。燃气轮机安全性能的下降是通过计算两个可靠性指数累计和进阶的可靠性指标。
另外一种诊断中队不确定因素考量的方法是模糊逻辑理论的应用，其中基于法则的模糊专家系统被采用。下面一部分就来讨论这种方法。
6.基于模糊逻辑的方法
模糊逻辑是用来确定人们不确定推算能力的方法。这种推算代表了人们精确推算的能力以及在不确定下的判断程度。这方法提供了这样一种系统，由向量输入到标量输出的非线性匹配。图7，一个典型的模糊逻辑系统包括，模糊化，模糊参数，使用模糊器的去模糊化和一台参考轮机和对应的去模糊器。模糊机是将输入数值匹配至由语句参数和关联参数确定的模糊态。参考轮机匹配了一种模糊态到另外一种，以确定模糊态组合的方式。去模糊器是在当模糊系统中需要确切数值作为输出量时使用的。与专家系统和神经网络，GA和其他技术相结合，模糊逻辑常应用于燃气轮机的诊断。
由Fuster等人提出了基于知识库的轮机模型的AND/OR/NOT关系图表，它是假设模型的衍生，应用于燃气轮机故障诊断，其中部件参数的不确定性由模糊逻辑可行值和由T/F的故障症状表述。
Tang等人提出一套应用于飞机引擎的EMD系统，结合神经网络的模糊逻辑推算，这个系统将故障分为三类，气道部件，仪器传感器和转子油路子系统。在此参考机中启用了AND/OR/NOT三种操作。
Huang等人提出了FPN模型来代表基于法则系统中的模糊工作法则。它展示了一种高效的故障诊断推算的算法。
Siu等人提出了基于法则和案例的模糊专家系统，并将其应用到了一系列的实例中去。由Ganguli提出了针对燃气轮机故障孤立的基于模糊逻辑的专家系统。这个体统使用了4个基本轮机测量值去诊断5个轮机部件中的单一故障，正确率达95%。其中测量干扰也被考虑在内了。相似的方法也被用于自动推算一台服役的电厂轮机。基于仿真数据的测试表明预测的精准度可达90%以上，仅仅采用
10个驾驶间内的测量值，如考虑到额外的压力和温度探测，则故障隔离精度可达98%。基于规则的模糊专家系统又Applebaum提出应用于燃气轮机的故障分类，其中模糊过滤器被用来针对残差评估，将残差的测量矢量值的量变进化到故障轮机的质变。
7.瞬态数据的诊断
大部分的轮机诊断是基于稳态数据的。但在一些案例中，高质量的稳态数据难以得到或者根本无法得到。举个例子，一些战斗机在运行70%以上的任务时都是在非稳态工况上的。另外，一些燃气轮机故障现象只表现在瞬态过程中，在一些特别情况，如高海拔上会严重降低轮机的运行性能，也包括飞机的操作和导弹的发射，像由于操作不当引起的紧急喷射和压气机叶片发生位移。因此燃气轮机故障诊断也需要通过使用瞬态测量值来实现。由Meher-Homji和Bhargava提出了一个针对燃气轮机瞬态诊断的框架。由Bird和Schwatz提供了关于燃气轮机稳态与瞬态工况模型在故障诊断中的方法和应用的调查。
Luppold等人提出了分段线性状态可变模型（SVM），针对轮机实时运行的房展，Kalman过滤算法被用于去评估非正常运行的原因和程度。这套方法适用于去诊断由于硬件失效，外界部件受损，战斗损伤造成的轮机故障。此方法的进一步论述会在Kalman过滤算法的第二代中，针对的是由于正常磨损，机械失效和外界异物引入引起的轮机失效的实时监测和评估。Lunderstaedt和Junk通过使用非稳态RB199轮机测量值来诊断轮机的高压涡轮故障。其中将线性GPA应用到了非稳态过程的离散点中，来取得非线性性能参数估计，用神经网络去计算非稳态的运行基线。
Henry分析了F404发动机在不同原因下过渡工况的性能变化，不同工况诸如节气门调节过量，进气屏蔽的后果，进气温度变化和压气机损坏。从过渡测量数据中所反映的故障表现来看，各种情况下的反映都有所不同，以此可以确定不同的故障。
采用矩阵法和最小二乘估计法来预测的参数值被用来去仿真一台燃气轮机在非线性数据，开/关或关/开瞬态过程，并以此作为故障诊断的估计器，其中讨论了两类故障案例，一类是排气温度出现偏差的情况，另外一类是终端喷嘴调节变化。此外，采样率的影响和技术上测量值灵敏度上的干扰也被考虑在内了。由Merrington等人作了关于此方法的进一步研究，并提出了基于此方法对燃气轮机瞬态测量故障推断的模型，以及普通最小二乘法的方法。这种方法最大的特色在于它囊括了测量干扰的影响，模型的匹配偏差和线性化造成的错误。Eustace等人针对F404发动机在起飞瞬态过程中的海平面静推力上植入故障来测试故障表现。他们的研究表明，瞬态和稳态数据都包含了同样重要的故障信息，但从瞬态数据中更容易推断出故障的影响。因为瞬态所记录的数据对于植入的故障而言更为敏感。
由Trave-Massuyes提出了基于知识与模型库的专家系统，TIGER，它是针对燃气轮机故障推断与诊断的，其基于了动态系统分布。3个使用单个有限键长模型，单个复杂事件模型和一个基于模型的复杂方程的诊断模块分别被并行使用，与这3个模块得到的结果协调的整体故障处理器就能给出更高级的记过。Diao 和Passino使用了Takagi-Sugeno模糊模型来简历涡轮发动机模型和残差发生器的多个模型库。专家监测流程被应用来确定适当的模型库并推断轮机故障。故障隔
离的时间滞后是为了提高系统的健康度。
Santa使用一种改进的方法来建立燃气轮机瞬态和稳态的操作模式，并用改进的热动参数的信息去确定轮机的部件损坏原因。
一些物理的过程，例如大容积金属温度的影响可能会使测量的发动机参数发生偏差并降低了故障诊断的精度。Merrington采用了基于模型的技术来应用推断在军用涡轮风扇发动机的起飞和加速工况的性能下降的问题。其中就要考虑到了大容积金属温度的影响。至此提出了一个简单可行的区分大容积金属温度的在轮机参数测量上的影响和高速部件所造成的影响。
8.讨论
不同的诊断方法有它们各自的优缺点，现如下来讨论。第一，基于线性与非线性模块的方法。例如线性和非线性的GPA，最优估计和给予最优的其他方法，有着清晰的物理意义，而基于非模态的方法，例如神经网络和基于规则的专家系统，都是伴随实验知识产生的。第二，基于人工智能的方法，它比起模态方法更为复杂。第三，线性和非线性的GPA，受过训练的神经网络和基于规则的专家系统（已经建立了规则库）都要比传统最优化或GA的非线性方法诊断快。第四，除了线性和非线性的GPA，其他方法都能应用于有测量干扰和偏差的情况。为有个更加直观的对各种诊断方法优劣的描述，在表1中做了主要特点的比较。特别地，在模型的复杂度与计算时间在图8作了比较。
9.结论
针对燃气轮机故障诊断技术的发展已经作了全面的分析。从Urban的工作开始到目前最先进的技术，这样的技术包含了早起线性模态方法，非线性模态方法，到较为高级的人工智能方法和模糊逻辑方法以及同时针对稳态和瞬态的轮机部件诊断。
近些年的研究表明，目前针对燃气轮机诊断的研究兴趣集中在了提高诊断系统的可靠性，精度和运行效率上，线上应用和考虑到各种实际因素，如数据预处理和有效认证，测量干扰的降低，多部件故障，传感器故障和数据不确定型等等。混合方式更加适合于未来燃气轮机诊断系统的开发。
10.附录
图 1 燃气轮机故障诊断方法
图 2 非线性诊断模型
图 3 FFBP网络结构
图 4 自组织匹配结构
图 5
图 6 专家系统结构
图7 基于规则的模糊逻辑专家系统结构
图8 诊断方法关于诊断速率与复杂程度的比较
燃气轮机性能指标主要影响因素及提高性能途径研究 摘要: 本文以9e燃机为例，概括介绍了国内已经投产的燃气轮机的主要性能指标，并通过对不同设计和运行条件下技术性能指标的对比，分析对燃气轮机性能指标产生影响的主要影响因素，从而总结和简述了提高性能指标的主要途径。 关键词: 燃气轮机；性能指标；功率；热耗率；影响因素；abstract：illustrated by 9e gas turbine, the main technical performance parameters of gas turbine in china are described, and with the comparison of the technical parameters under different design and operation condition, an analysis on the main influencing factors is presented, so as to summarizethe major way to improve the performance parameters. keywords: gas turbine; performance parameter; power; heat rate; influencing factor 中图分类号：th138.23 文献标识码：a文章编号：2095-2104（2012） 1.引言 燃气轮机是从本世纪50年代开始逐渐登上发电工业舞台的。但是由于当时机组的单机容量较小，而热效率又比较低，因而在电力系统中只能作为紧急备用电源和调峰机组使用。 60年代时欧美的大电网曾发生过电网瞬时解列的大事故，这些事
燃气轮机系统建模与性能分析 摘要：燃气轮机机组具有超强的北线性，人们掌握它的具体实施工作过程运行 规律是很难得。在我过电力工业中对它的应用又不断加强。为了更加透彻的解决 这个问题，本文将通过建立燃气轮机机组系统建模及模拟比较研究机组设计和运 行中存在的问题，从而分析它的性能。 关键词：燃气轮机；系统建模；性能 1模拟对象燃气轮机的物理模型 在标准IS0工况条件(15℃101.3kpa及相对湿度60%)下，压气机不断从大气中 吸入空气，进行压缩。高压空气离开压气机之后，直接被送入燃烧室，供入燃料 在基本定压条件下完成燃烧。燃烧不会完全均匀，造成在一次燃烧后局部会达到 极高的温度，但因燃烧室内留有足够的后续空间发生混合、燃烧、稀释及冷却等 复杂的物理化学过程，使得燃烧混合物在离开燃烧室进入透平时，高温燃气的温 度己经基本趋于平均。在透平内，燃气的高品位焙值(高温、高压势能)被转化为功。 1.1燃气轮机数值计算模型与方法 本文借助于 GateCycle软件平台，搭建好的燃气轮机部件模块实现燃气轮机以上物理模型的功能转化，进行燃气轮机的热力学性能分析计算的。在开始模拟燃 气轮机之前，首先对燃气轮杋部件模块数学模型及计算原理方法进行简单介绍。1.2压气机数值计算模型 式中，q1 、q2 、ql 分别为压气机进、出口处空气、压气机抽气冷却透平的 空气的质量流量； T1*、 p1* 分别为压气机进出口处空气的温度、压力； T2*、 p2* 分别为压气机出口处空气的温度、压力 ηc、πc分别为压气机绝热压缩效率，压气机压比 γa为空气的绝热指数；ρa为大气温度；?1为压气机进气压力损失系数 ιcs、ιc分别为等只压缩比功和实际压缩比功 i*2s、i*2、i*1分别为等只压缩过程中压气机出口处空气的比焓，实际压缩过程中压气机出日处空气的比烩和压气机进日处空气的比焓； 当压气机在非设计工况下工作时，一般计算方法是将压气机性能简单处理编制成 数表，通过插值公式求得计算压气机的参数，即在压气机性能曲线上引入多条与 喘振边界平行的趋势线，这样可以把压比，流量，效率均视为平行于喘振边界的 等趋势线和转速的函数。本文采用了同样的计算方法，在计算燃气轮机变工况性 能过程中引入无实际物理涵义的无量纲参变量CMV（compressor map variable），仅相当于引入的平行于压气机喘振边界的趋势线，压气机的质量流量、压力和效 率计算是通过上下游回馈的热力计算结果，插值寻找能够使得上下游热力参数 （压力，温度，输出功率，转速，流量）计算收敛的工作点，即压气机的变工况 工作点。 1.3燃烧室数值计算模型 其中 式中： α为过量空气系数： L0为燃料的理论空气量：
第一讲：燃气轮机基本原理及9E燃机性能型号参数授课内容： 第一章：绪论 1）：燃气轮机发电装置的组成 2）：燃气轮机发展史 3）：我国燃气轮机工业慨况 4）：GE公司燃气轮机产品系列及其编号 第二章：燃气轮机热力学基础知识 1）：工质的状态参数 2）：理想气体状态方程 3）：功和热量 第三章：燃气轮机热力循环 1）：燃气轮机热力循环的主要技术指标 2）：燃气轮机理想简单循环 3）：燃气—蒸汽联合循环 第四章：9E燃机性能型号参数 1）：PG9171E型燃机型号简介 2）：PG9171E型燃机性能参数简介
第一章绪论 第一节燃气轮机发电装置的组成 燃气轮机是近几十年迅速发展起来的热能动力机械。现广泛应用的是按开式循环工作的燃气轮机。它不断地由外界吸入空气，经过压气机压缩，在燃烧室中通过与燃料混合燃烧加热，产生具有较高压力的高温燃气，再进入透平膨胀作功，并把废气排入大气。输出的机械功可作为驱动动力之用。因此，由压气机、燃烧室、透平再加上控制系统及基本的辅助设备，就组成了燃气轮机装置。如果用以驱动发电机供应电力，就成了燃气轮机发电装置。 (幻灯)
第二节 燃气轮机发展史 燃气轮机是继汽轮机和内燃机问世以后，吸取了二者之长而设计出来的，它
是内燃的，避免了汽轮机需要庞大锅炉的缺点;又是回转式的，免去了内燃机中将往复式运动转换成旋转运动而带来的结构复杂，磨损件多，运转不平稳等缺点。但由于燃气轮机对空气动力学和高温材料的要求超过其他动力机械，因此，发展燃气轮机并使之实用化，人们为之奋斗了很长时间。如果从1791年英国人约翰·巴贝尔(John Baber)申请登记第一个燃气轮机设计专利算起，经过了半个世纪的奋斗，到1939年，一台用于电站发电的燃气轮机(400OkW)才由瑞士BBC公司制成，正式投运。同时Heinkel工厂的第一台涡轮喷气式发动机试飞成功，这标志着燃气轮机发展成熟而进入了实用阶段·在此以后，燃气轮机的发展是很迅速的。由于燃气轮机本身固有的优点和其技术经济性能的不断提高，它的应用很快地扩展到了国民经济的很多部门· 首先在石油工业中，由于油田的开发和建设，用电量急剧增加·建造大功率烧煤电站不具备条件(没有煤炭，交通不便，水源紧张，施工困难等)，周期也不能满足要求·而燃气轮机电厂功率不受限制，建造速度抉，对现场条件要求不高，油田有充足的可供燃用的气体和液体燃料·不少油田还利用开发过程中一时难以利用的伴生气作燃气轮机燃料，价格便宜，发电成本低，增加了燃气轮机的竞争力，所以在油田地区，燃气轮机装置被广泛应用，除用于发电外，还在多种生产作业申用燃气轮机带动压缩机(例如天然气管道输送，天然气回注，气田采油等)和泵(例如原油管道输送和注水等)。 其他工业部门，如炼油厂、石油化工厂、化工厂、造纸厂等等;它们不仅需要机械动力，而且需要大量热(例如蒸汽)。这时用燃气轮机来功热联供，在满足这两方面需要的同时，还能有效地节能，故应用发展较快。 实践证明，燃气轮机作为舰船推进动力，其优点显著，特别是排水量为数千
电站燃气轮机课程复习思考题 1. 词语解释： （1）循环效率：当工质完成一个循环时，把外界加给工质的热能q转化成为机械功l c的百分数。 （2）装置效率（发电效率）: 当工质完成一个循环时，把外界加给工质的热能q转化成为电功l s的百分数。 （3）净效率（供电效率）: 当工质完成一个循环时，把外界加给工质的热能q转化成为净功l e的百分数。 （4）比功:进入燃气轮机压气机的1kg的空气，在燃气轮机中完成一个循环后所能对外输出的机械功（或电功）l s（kJ/kg）,或净功l e（kJ/kg）. （5）压气机的压缩比: 压气机的出口总压与进口总压之比。 （6）透平的膨胀比: 透平的进口总压与出口总压之比。 （7）压气机入口总压保持系数:压气机的入口总压与当地大气压之比。 （8）燃烧室总压保持系数:燃烧室的出口总压与入口总压之比。 （9）透平出口总压保持系数:当地大气压与透平的排气总压之比。 （10）压气机的等熵压缩效率:对于1kg同样初温度的空气来说，为了压缩达到同样大小的压缩比，等熵压缩功与所需施加的实际压缩功之比。 （11）透平的等熵膨胀效率:对于1kg同样初温度的燃气来说，为了实现同样的膨胀比，燃气对外输出的实际膨胀功与等熵膨胀功之比。 （12）温度比:循环的最高温度与最低温度之比。 （13）回热循环:在简单循环回路中加入回热器，当燃气透平排出的高温燃气流经回热器时，可以把一部分热能传递给由压气机送来的低温空气。这样，就能降低排气温度，而使进到燃烧室燃料量减少，从而提高机组的热效率。 （14）热耗率：当工质完成一个循环时，把外界加给工质的热能q，转化成机械功（或电工）
GE公司F级燃气轮机 1 F级燃气轮机产品系列及其性能演变 F级燃气轮机已有多种多样的型号可满足不同用户的需要，在MS6000、MS7000、MS9000系列中都有F级的产品，表1列出F级燃气轮机最新机型简单循环的性能，表2列出50Hz的F级燃气 表1 F级最新机型燃气轮机简单循环性能 基本参数MS9351FA MS7241FA MS6101FA 净出力/MW 255.6 171.7 70.1 效率/% 36.9 36.4 34 透平进口温度/℃1327 1327 1288 压比15.4 15.5 14.9 质量流量/kg·s-1624 432 198 排气温度/℃609 602 597 频率/Hz 50 60 50/60 表2 50HzF级燃气轮机联合循环性能 基本参数S109FA S209FA S106FA S206FA 净出力/MW 390.8 786.9 107.4 218.7 净热耗率/kJ·（kWh）-16350 6305 6767 6654 净效率/% 56.7 57.1 53.2 54.1 MS9001FA、MS7001FA、MS6001FA型燃气轮机都有18级的压气机和3级的涡轮机，以冷端驱动和轴向排气为特点，有利于联合循环布置。F级燃气轮机采用GE公司传统可靠的分管式燃烧系统，
并可配备双燃料燃烧系统，如在以天然气为主燃料时，可以轻油为辅助燃料。当天然气供应发生故障时，机组可自动切换到轻油燃烧，使燃机不因燃料供应故障而停机，进一步保证了机组的可靠性和可用性。机组也可根据要求，在一定条件下使用双燃料混合燃烧。此外，F级燃气轮机可燃用低热值燃料，从而扩大了发电厂的燃料使用范围和灵活性。F级燃气轮机应用于IGCC电厂，可 GE公司在其制造MS6000型、MS7000型和MS9000型机组的基础上，发展完善了底盘部套、控制和辅机组合一体的快装模块结构，这种标准化布置可减少管道、布线及其他现场相关联接的工 F级燃气轮机还显示出不同寻常的环保特点。由于机组的效率高，单位发电量的NO x和CO排放量较少。采用干式低NO x（DLN）燃烧室，大大降低了NO x的排放。180多台采用干式低NO x燃烧室的F级燃气轮机已累计运行近30 0万h。有些电厂的NO x排放量甚至低于10mg/kg。 1.1 7F和7FA、7FB型燃气轮机 自从1987年生产第一台7F型燃气轮机后，经过不断改进，形成了一系列F级的燃气轮机。图１以7000系列中的F级燃气轮机为例，展示了F级燃气轮机的发展过程。(图中华氏温度t F 换算因数为)其主要性能见表3。 图1 F级燃气轮机的发展过程 表3 7F系列燃气轮机主要性能
影响燃气轮机及其联合循环特性的因素分析 姓名：张瑞琦学号：2012031426 联合循环发电技术对改变电力能源结构、改善环境、提高电网调峰灵活性有重要作用。随着天然气开采技术的提高以及西气东输和引进液化天然气两大工程的启动, 燃气轮机及其联合循环在我国得到迅速发展和应用。对任一个联合循环方案, 其热力系统及组成均有所区别, 而且环境条件和运行参数如环境温度、大气压力、空气相对湿度、海拔高度、空气进口压损及余热锅炉烟气阻力、燃料类型、蒸汽循环方式、循环水温度、入口空气冷却等对整个热力循环的出力和热耗的影响也不同。为使建成后的联合循环电厂单位投资最省、热效率最高、投产后具有较好经济效益, 对影响燃气轮机及其联合循环系统的出力和热耗的相关因素进行分析, 从而选择合适机型和运行方式。 1 环境因素的影响 1. 1 大气温度 大气温度对简单循环燃气轮机及其联合循环的性能有相当大的影响。随着大气温度的升高,空气比容增大, 吸入压气机的空气质量流量减少,导致燃气轮机及其联合循环的出力减小。即使机组的转速和燃气透平前的燃气初温保持恒定, 压气机的压缩比也会有所下降, 燃气透平做功量减少, 但排气温度却有所增高, 使得燃气轮机及其联合循环的出力和热耗产生变化。 随着大气温度升高, 燃气轮机及其联合循环的出力均成线性下降, 但是联合循环的出力的减小较燃气轮机平缓。环境温度每升高10度 , 单循环燃气轮机出力下降5% ~ 7%,联合循环出力下降3. 5% ~ 5. 5% 。这是由于联合循环的燃气透平排气温度略有增高, 可以在余热锅炉中获取更多的能量, 到蒸汽轮机中去做出更大数量机械功的缘故。另外, 随温度升高, 燃气轮机相对效率成曲线下降, 每升高10度相对效率下降0. 05% ~ 1. 8% 。然而, 大气温度对联合循环机组的相对效率影响不大, 这是由于大气温度变化对燃气Brayton 循环及蒸汽Rankine 循 环热效率的影响相反, 在大气温度约为15度时, 联合循环热耗达到最低点, 此时Brayton 循环及蒸汽Rankine 循环热效率的乘积为最大值。 1. 2 空气湿度 有研究表明: 当空气温度< 37度时, 即使相对湿度为100% 时, 大气中所含的水蒸气数量仍然是很少的( 即绝对湿度值很小) , 其影响是可以忽略不计的。然而, 随着燃气轮机单机功率增大, 以及为降低NOx 的排放而进行的注水注汽,绝对湿度的影响变得越来越明显。从图2 中不难看清: 空气绝对湿度与燃气轮机及其联合循环机组的出力和热耗均成线性关系, 且各自的影响几乎一样。绝对湿度每增加0. 01, 出力下降0. 001% ~ 0. 002%, 而热耗上升0. 002%~ 0. 004% 。 1. 3 大气压力和海拔高度的影响 目前燃气轮机及其联合循环大都是按ISO 状态条件( 大气压力p a = 0. 1013MPa、环境温度15度、相对湿度60%) 进行设计的。不同的海拔高度将导致不同的平均大气压力, 随着海拔的升高,p a 和t a 都在下降。而燃气轮机的出力与所吸入的空气质量流量成正比, 而质量
燃气轮机的选型 在燃气轮机选型时，对其热力性能方面的考虑应注意以下几点： （1）机组热效率和燃料成本相结合的综合经济性。单方面考虑热效率高低常常是不全面的，一般需把机组热效率和燃用的燃料成本结合起来，更全面权衡机组的经济性。因为有时地理因素更优先于热效率，如某些地区的用户可能更注重燃气轮机对燃用廉价原油和重油的能力与相应的长热部件寿命性能。 （2）热力循环系统优化的问题。影响燃气轮机热力性能的因素有很多，如透平初温、压气机压比、回热度（若采用回热循环）等热力参数，压气机、透平、燃烧室等部件效率，进、排气道等各部分流阻损失等。其中许多参数受到设计制造时的技术与设计水平所制约，一般要根据设计和技术条件选取，如透平初温就要根据高温材料和冷却技术来确定。而压气机压比要通过热力循环设计优化分析来确定。 （3）机组的全工况或变工况热力特性。实际上，随着环境大气条件、外界负荷或系统本身等变化，燃气轮机及其联合循环装置总是处于非设计工况下运行，全面考虑全部可能运行区域的特性，就更为重要和实用。主要包括： 1）随大气条件变化的机组变工况特性。由于燃气轮机的工质来自大气环境、又排回大气，其输出功率对大气条件，特别是对大气温度非常敏感。通过燃气轮机及其联合循环性能（设计工况的效率与功率）相对比值随大气温度变化的典型规律。大气温度总在变化，随着温度的升高，燃气轮机及其联合循环相对的输出功率都会下降，但联合循环的功率减小要比燃气轮机平缓，燃气轮机效率下降，而联合循环的效率稍有增加；反之，当温度下降时，两者的输出功率都会增加，燃气轮机效率提高，联合循环效率稍有降低。至于大气压力则与机组安装地区的海拔高度有密切关系，燃气轮机及其联台循环的功率都与大气压力成正比，而两者的效率与此无关。但当分析机组安装地点的海拔高度对燃气轮机性能影响时，要考虑大气温度和压力两个因素的综合影响。 2）随外界负荷变化的机组变工况特性。燃气轮机是通过调节燃料量、也就是调节透平初温来适应外界负荷变化，而不像汽轮机那样是通过改变蒸汽工质质量流量来改变功率，所以机组热经济性随负荷变化而变化趋势就非常明显。 2.燃料与环境问题 （1）燃料问题。燃气轮机燃用的燃料对电站的环境特性，还有经济性、安全性和可靠性等都有很大的影响，主机选型时需全面考虑可供燃用的燃料问题，包括燃料的来源、供应量、质量以及候选机组对其适应性与要求等。燃气轮机适合燃用气体燃料和从高级的航空煤油到低级的锅炉渣油的液体燃料。但所用燃料的各种品质会严重影响燃气轮机装置的运行、维护和成本。因此，燃料的最佳选择应
结构部分 压气机 1.大型压气机的工作温度范围是常温-400℃左右；压气机不需要特殊的降温手段，但在结 构上应满足强度和刚度要求。(C1p2) 2.压气机通流部分的四种型式为：等外径、等内径、等平均直径、混合型。(C1p7-10) 3.轴流式压气机静子主要由气缸和静子叶片组件组成。它是压气机中不旋转的部分。 (C1p11) 4.工业型机组的压气机气缸一般是铸造的。为了减小气缸的厚度，通常采用在气缸外表面 加筋的办法来增强刚性。气缸一般采用分段布置。(C1p13) 5.压气机静叶的功能是把气流在动叶中获得的动能转变为压力能，同时使气流转弯以适应 下级动叶的进口方向。工作时静叶只承受气流作用力，与动叶相比较强度问题不大，但应考虑共振问题。通常，压气机静叶设计成直叶片，且沿叶高各截面的型线一样。(C1p22) 6.转子的刚度问题主要反映在临界转速上，机组的工作转速应避开临界转速。最大工作转 速低于一阶临界转速的称刚性转子，它要求临界转速高于最大工作转速20％— 25％。 当工作转速高于一阶或二阶临界转速的称柔性转子。(C1p37) 7.压气机转子的结构型式有哪三种？鼓筒式、盘式、盘鼓混合式。(C1p39) 8.盘鼓式转子的分类？焊接式、径向销钉式、拉杆式。(C1p43) 9.为获得良好的性能，动叶叶身型面设计主要考虑的两个因素是：是否满足气动及强度的 要求。(C1p63) 燃气透平 1.透平将高温燃气能量转换成为机械功，目前，大型燃机的透平进口初温为1100-1430℃， 膨胀做功后降到约600℃。(C2p3) 2.透平静子由气缸、静叶及支承和传力系统等组成。(C2p5) 3.透平静叶的作用与设计要求(C2p16-17) 透平静叶又称喷嘴，它的作用是使高温燃气在其中膨胀加速，把燃气的内能转化为动能，然后推动转子旋转作功。 对静叶设计的要求为： ①耐高温、耐热腐蚀； ②耐热冲击； ③热应力小；
燃气轮机和内燃机发电机组性能及经济 性分析 2014-9-9 摘要：介绍燃气分布式能源系统配置。对燃气轮机、燃气内燃机发电机组性能（性能参数、变工况特性、余热特性、燃气进气压力）、经济 性等进行比较。 关键词：分布式能源系统；燃气轮机发电机组；燃气内燃机发电机组；经济性 Analysis on Performance and Economy of Gas Turbine and Gas Engine Generator Units Abstract ：The configuration of gas distributed energy system is introduced ．The performance of gas turbine generator unit including performance parameters ，variable conditions characteristics ，waste heat characteristics and gas inlet pressure as well as the economy are compared with gas engine generator unit ． Keywords：distributed energy system ：gas turbine generator unit ； gas engine generator unit ；eeonomy 1 概述 燃气分布式能源系统（以下简称分布系统）是指布置在用户附近，以天然气为主要一次能源，采用发电机组发电，并利用发电余热进行供冷、 供热的能源系统[1-11]。主要设备包括发电机组、余热利用装置等，作为动 力设备的发电机组是分布系统的关键。 分布系统通常采用的发电机组为燃气轮机发电机组（以下简称燃气轮机组）、燃气内燃机发电机组（以下简称内燃机组）。燃气轮机组是以 连续流动气体为工质，将热能转化为机械能的旋转式动力设备，包括压气 机、燃烧室、透平、辅助设备等，具有结构紧凑、操作简便、稳定性好等 优点。在分布系统中应用的主要是发电功率范围为25?20000kW的微 型、小型燃气轮机组。 内燃机组是将液体或气体燃料与空气混合后，直接输入气缸内部燃烧并产生动力的设备，是一种将热能转化为机械能的热机，具有体积小、热效 率高、启动性能好等优点，发电功率范围为5?18000kW美国不同规模分 布系统的发电机组发电功率见表 1 。
动力与能源工程学院 燃气轮机性能分析 （报告三） 学号： 专业：动力机械及工程 学生姓名： 任课教师： 2010年4月
透平特性的计算 一、透平特性计算的意义 目前，燃气轮机已广泛应用于航空、船舶、发电等诸多领域，提高燃气轮机的性能已成为人们关注的焦点。透平变工况通常是指转速、入口压力、温度以及出口压力的变化。上述参数的变化将会导致级间热降的重新分配、速度三角形的变化以及流动损失的改变，最终引起涡轮级综合参数(流量、效率以及功率)的变化。 讨论变工况可以更好的了解已设计好的透平在工况变动时性能的变化(如功率、效率、扭矩等)和各参数的变化规律。使运行时能情况明了。一个好的透平，应该在设计工况和变工况下都是工作良好的。在设计时，就要预先考虑变工况的性能，对于变工况运行时间较长的机组，尤其要注意到这点。工况变动的多少，要视具体任务而定。如机车的燃气轮机，在拖动平原地区长途特快客车时，工况就变得少，如果是站内调度车厢之用，工况就变动得多。此外，讨论透平变工况还可以为整个装置的变动工况计算及调节控制系统设计提供必要的数据。 二、特性线获取的方法概述 变工况特性曲线的决定方法分实验和计算两种。实验法可以得到比较准确的数据，也是校核计算法是否准确的客观标准。但实验法要有一定的设备和消耗，在机器未制造出来以前，也无法进行。整台透平试验，要有足够大的风源，只有专门的科研生产机构才能实现。当然，也可根据相似原理，做缩小比例的模型试验，此时就要做模型。总之，试验费用是昂贵的。实验法是好，但不易办到。计算法虽准确度差点，却容易实观。 计算的方法较多，把用经验公式或类似机组的比拟方法除外，则现存的计算法基本原理都差不多。把透平看成一个流道，以平均直径处基元级代替级，在各轴向间隙(即前述之特征截面)处满足基本方程(即连续方程、能量方程、运动方程和状态方程)，就可推算出各不同相似准则数下(如膨胀比和折合转速)，其它准则数(如效率、折合流量等)为多少。各种方法的不同大致是由计算时选用的叶栅损失模型、简化假定和计算技巧不同造成的。一般地说，所作假定越符合实际，计
燃气轮机热力循环性能的分析计算 【摘要】本文基于热力学第二定律，从能量利用的角度出发，引入无量纲熵参数，对燃气轮机装置热力性能参数进行热力性能完善程度评价与分析，为燃气轮机装置的热力性能优化设计提供技术途径。 【关键词】燃气轮机；热力循环；性能；分析；计算 【abstract 】this paper based on the second law of thermodynamics, from the Angle of energy use, introducing the dimensionless parameter entropy, the gas turbine thermal performance parameters device thermal performance perfect degree evaluation and analysis, the device for gas turbine thermal performance optimization design provides technical way. 【key words 】gas turbine; Heat engine cycle; Performance; Analysis; calculation 1 引言 二十世纪80年代以来，燃气轮机热力循环方面的研究取得了长足的进步，其中热点之一是注蒸汽燃气轮机循环的研究。它不仅具有高效率、高比功的特点，而且它在变工况性能、污染控制等方面的优越性也倍受国内外研究者的青睐。目前世界上正研制和开发的、比较先进的燃煤发电技术是整体煤气化联合循环和增压流化联合循环。本文将整体煤气化联合循环中的先进燃煤技术与注蒸汽循环结合起来，对循环进行了热力学分析计算，就各参数对循环性能的影响进行了探讨。 2循环过程简介 煤在气化炉中形成粗煤气，经过热交换器，降温放热以加热给水产生回注用蒸汽，再经过脱硫、除尘变为洁净煤气，作为循环所用的燃料进入燃烧室。在燃烧室中煤气与空气燃烧后与注入的蒸汽混合，达到燃气轮机人口温度，再在涡轮中膨胀做功。余热锅炉一般不需要补燃，利用燃气轮机排气来加热处理过的水，使之变为过热蒸汽，注入燃烧室。 3 循环分析 煤炭的气化是在气化炉中进行的。目前，就气化炉的床型而论可分为喷流床气化炉、流化床气化炉和固定床气化炉。虽然，各种气化炉产生的煤气成份有所
我国工业燃气轮机的现状与前景 一、世界工业燃气轮机的发展趋势 1、世界工业燃气轮机的发展途径与现状 自1939年瑞士BBC公司制成世界上第一台工业燃气轮机以来，经过60多年的发展，燃气轮机已在发电、管线动力、舰船动力、坦克和机车动力等领域获得了广泛应用。 由于结构上的分野，工业燃气轮机分为重型燃气轮机和轻型燃气轮机（包括航机改型燃气轮机）。 80年代以后，燃气轮机及其联合循环技术日臻成熟。由于其热效率高、污染低、工程总投资低、建设周期短、占地和用水量少、启停灵活、自动化程度高等优点，逐步成为继汽轮机后的主要动力装置。为此，美国、欧洲、日本等国政府制定了扶持燃气轮机产业的政策和发展计划，投入大量研究资金，使燃气轮机技术得到了更快的发展。80年代末到90年代中期，重型燃气轮机普遍采用了航空发动机的先进技术，发展了一批大功率高效率的燃气轮机，既具有重型燃气轮机的单轴结构、寿命长等特点，又具有航机的高燃气初温、高压比、高效率的特点，透平进口温度达1300℃以上，简单循环发电效率达36%～38%,单机功率达200MW以上。 90年代后期，大型燃气轮机开始应用蒸汽冷却技术，使燃气初温和循环效率进一步提高，单机功率进一步增大。透平进口温度达1400℃以上，简单循环发电效率达37%～39.5%，单机功率达300MW以上。 这些大功率高效率的燃气轮机，主要用来组成高效率的燃气-蒸汽联合循环发电机组，由一台燃气轮机组成的联合循环最大功率等级接近500MW，供电效率已达55%～58%，最高60%，远高于超临界汽轮发电机组的效率（约40%～45%）。而且，其初始投资、占地面积和耗水量等都比同功率等级的汽轮机电厂少得多，已经成为烧天然气和石油制品的电厂的主要选择方案。由于世界天然气供应充足，价格低廉，所以，最近几年世界上新增加的发电机组中，燃气轮机及其联合循环机组在美国和西欧已占大多数，亚洲平均也已达36%，世界市场上已出现了燃气轮机供不应求的局面。 目前，美、英、俄等国的水面舰艇已基本上实现了燃气轮机化，现代化的坦克应用燃气轮机为动力，输气输油管线增压和海上采油平台动力也普遍应用了轻型燃气轮机。先进的轻型燃气轮机简单循环热效率达41.6%。采用间冷—回热循 36
解决方案编号：YTO-FS-PD176 燃气轮机和内燃机发电机组性能及经 济性分析通用版 The Problems, Defects, Requirements, Etc. That Have Been Reflected Or Can Be Expected, And A Solution Proposed T o Solve The Overall Problem Can Ensure The Rapid And Effective Implementation. 标准/ 权威/ 规范/ 实用 Authoritative And Practical Standards
燃气轮机和内燃机发电机组性能及 经济性分析通用版 使用提示：本解决方案文件可用于已经体现出的，或者可以预期的问题、不足、缺陷、需求等等，所提出的一个解决整体问题的方案（建议书、计划表），同时能够确保加以快速有效的执行。文件下载后可定制修改，请根据实际需要进行调整和使用。 摘要：介绍燃气分布式能源系统配置。对燃气轮机、燃气内燃机发电机组性能(性能参数、变工况特性、余热特性、燃气进气压力)、经济性等进行比较。 关键词：分布式能源系统；燃气轮机发电机组；燃气内燃机发电机组；经济性 Analysis on Performance and Economy of Gas Turbine and Gas Engine Generator Units Abstract：The configuration of gas distributed energy system is introduced．The performance of gas turbine generator unit including performance parameters，variable conditions characteristics，waste heat characteristics and gas inlet pressure as well as the economy are compared with gas engine generator unit． Keywords：distributed energy system：gas turbine generator unit；gas engine generator unit；
燃气轮机燃烧室性能指标的衡量 （1）燃烧效率。目前，一般燃气轮机组中燃烧室的燃烧效率都能达到95％～99％，航空发动机的燃烧效率更高。 （2）总压保持系数。定义为=P3/P2，是衡量燃烧室气动性能好坏的指标，目前一般燃烧室在设计工况的在0.95～0.97左右。对于连续流动的工质，总压下降有两个原因。一是热力学上的“热阻”，它随工质加热程度（用燃烧室出口总温与进口总温之比τ=T3/T2来表示）的增加而增加，是不可避免的；另一个就是摩擦、掺混等不可逆流动的因素导致的损失，其中有的是为了有效组织燃烧过程而不得不付出的代价。燃气轮机燃烧室研制中要致力于最大限度地减少不必要的总压损失。 （3）出口温度均匀度。在许多燃气轮机中，燃烧室的出口是与透平的入口很靠近的，如果出口处燃气的温度不均匀，即有些地方温度高，有些地方温度低。这样就有可能使透平叶片受热不均，甚至有被烧坏的危险。一般希望燃气的最高温度不能比出口平均温度t3高60～80℃。此外，在装有许多个燃烧室的机组中，还应力争每个燃烧室出口温度场的平均值相互之间的偏差不超过15～20℃。 此外，出口温度沿燃气轮机半径方向的分布有一种中间高，两端低的自然趋势，这正是发挥透平叶片材料的潜力所要求的，因为透平叶片尖部（外径处）受气流加热最严重，容易局部金属温度高；而叶片根部（内径处）则应力最大，希望金属温度低些以保证更好的强度。这样叶片中径处气流温度相对高一些正好满足叶片等强度的要求。 （4）污染物排放。随着环境保护要求的提高，控制燃烧污染物的排放已成为燃气轮机燃烧室研制中首要解决的问题之一。目前我国对燃气轮机的燃烧污染物排放还没有制定限制规范，但国际上对燃气轮机特别是航空燃气轮机排放已做出严格的限制。 （5）火焰筒壁温度水平和梯度。火焰筒壁面温度的高低及其均匀程度对于燃烧室的工作寿命有决定性的影响。一般规定，火焰筒的壁面温度不应超过金属材料长期工作所能承受的温度水平。对于工作寿命要求较长的燃烧室来说，希望能把火焰筒的最高壁温控制在650~700℃左右，但在工作寿命较短的燃烧室中，其最高壁温则有可能超过800～850℃，甚至局部有可能达到900℃左右。火焰筒壁面上温度分布的均匀程度也是一个很重要的安全性指标，因为局部温度梯度是导致热应力的原因，特别是在受冷、热气流冲击和接缝、边缘等传热条件不均匀的部位，容易发生金属温度的差异；必须在调试时严密注意和控制。 （6）燃烧室的变工况特性。随着燃气轮机运行工况的变化，燃烧室也往往会在偏离设计工况的条件下工作。这时，流经燃烧室的空气流量、温度、压力、速度以及燃料消耗量都会发生变化。由于燃烧室没有运动部件，因此供入空气的任何变化对燃烧室内部流动的影响只表现在量的方面。简单地说，不同工况下的流动基本上是“相似”的，即气流的模式相同，只是速度大小成比例地加大或减小。供入燃料量的变化，则会从另一方面对燃烧过程产生重要的影响。一般而言，决定燃烧室工况的独立变量有两个，即特征流动状态（例如入口流动状态）和相对燃料量（用过量空气系数表示）。对于在具体燃气轮机中应用的燃烧室而言，这二者之间有一定的函数关系，一般而言燃烧室的值随燃气轮机负荷的升高而下降。燃烧室的变工况特性可以用燃烧室性能参数，即燃烧效率、总压保持系数，壁面温度、出口温度场等随过量空气系数 的变化来表示。 现有对于燃烧室变工况特性的认识远不如对压气机和透平那样清楚和完整，而且都是通过
收稿日期:2010-10-17 基金项目:广东电网公司科研项目(DK 0010DK 0041) M701F 型燃气轮机的在线运行负荷特性 阚伟民 (广东电网公司电力科学研究院,广东广州510080) 摘要:分析了重型燃气轮机负荷特性的影响因素,提出了研究重型燃气轮机负荷特性的技术路线。基于此,针对某M 701F 型燃气轮机,以国际标准化组织(I nterna tio nal O rg anizat io n f or Standardization,I SO )的标准条件为基准,由机组的在线运行数据获得其负荷特性曲线,并建立负荷特性的数学模型。考察该燃气轮机6940组实际数据,得出结论:当折算基准功率不小于18M W 时,其负荷特性数学模型的最大相对误差不超过5173%。关键词:M 701F 燃气轮机;负荷特性;进口可调导叶开度;燃气轮机功率;燃气轮机效率中图分类号:T K 228 文献标志码:A 文章编号:1007-290X (2010)11-0060-04 On -line Running Load Characteristics of M701F Gas Turbines KA N We-i min (Electr ic P ow er R ese arch Inst.of G uang do ng Po we r G r id Co rp 1,G ua ng zhou,G uangdong 510080,China ) Abstract:T he facto r s inf lue ncing the lo ad char acter istics o f heav y -duty g as tur bines ar e analyzed,a nd then a technica l ro ute is pr opo sed fo r resear ching the load char acter istics o f heav y -duty gas turbines.Based on the technic al r oute and the sta ndar d conditio ns of Inter nationa l O rg anizat io n fo r Standardization (ISO ),the load cha rac teristic cur ve o f a M 701F g as turbine is acquir ed acco rding to its on -line o pera ting dat a,and the mathem atical mo del o f loa d char acter istics is built.Che cking 6940gr oups o f data o f the gas turbine ,the max imum re lative er r or of the lo ad char acte ristic ma thematical m odel do es not ex ceed 5173%w hen the co nver ted re fer ence pow er is no t less tha n 18M W. Key words:M 701F gas tur bine;lo ad ch ara cter istic;o pening of inlet v ariable guide va ne (IG V );pow er of gas tur bine;eff iciency o f g as turbine 在世界各国的电力工业中,容量大、效率高、环保优的燃气轮机及其燃气-蒸汽联合循环机组正 成为世界电力工业中的一个重要组成部分,其作用日益增升。随着我国天然气资源的大规模开发利用,西气东输、近海天然气开发和引进国外天然气工程的全面展开,以及我国引进美国通用电气公司、德国西门子公司及日本三菱重工业股份有限公司等F(A)级大功率单轴燃气轮机机组,重型燃气轮机及其联合循环在我国蓬勃发展 [1] 。根据国家发 展和改革委员会的规划,到2020年,全国燃气轮机联合循环发电装机容量将达到55G W,是2000年之前50年已建成同类装机容量的25倍。其中,广东省目前燃气轮机及其联合循环发电装机容量超 过515GW,为广东电网的安全、稳定、清洁、高效运行发挥着重大作用,并对广东电力系统的生产运行及节能调度产生了重要影响。 由于外界需求负荷、环境温度等因素变化,燃气轮机出力、效率或热耗率等性能指标亦随之改变,机组常常处于变工况运行状态[2-5] 。考察、比较不同燃气轮机机组的负荷特性,就需要将燃气轮机的相关性能指标折算到某种基准条件[6]。由于外界负荷、环境温度等的影响,燃气轮机的参数变化频繁,例如,进口可调导叶(inlet va riable guide v ane,IGV )开度、燃气轮机功率等参数,很难通过实际采集的现场数据得到一定负荷情况下的环境温度特性,这就需要尽量结合现场在线数据,通过理论分析、计算的方法,获得燃气轮机的在线负荷特性,这是燃气轮机发电机组节能优化调度的重要 第23卷第11期广东电力 V o l 123N o 111 2010年11月GUANGDONG ELEC TRIC POWER N o v 12010
燃气轮机性能分析诊断：评论 ——翻译稿 摘要 伴随着燃气轮机的发展，燃气轮机诊断技术也历史悠久。早期我们通过技术手册上的制造信息和维修上的经验来进行燃气轮机故障诊断。在20世纪60年代晚期Urban引入了气道分析，这无疑使燃气轮机诊断取得重大突破。从那时起，各种被用于航空工业的不同分析手段相继出现。目前也有大量此领域的论文相继发表。本文试图作一个较为全面的梳理，针对目前各种已发表的关于燃气轮机故障诊断技术的轮机性能分析。 1.简介 由于气道部件在运行过程中的恶化，燃气轮机性能就会下降。最常见的引起性能下降的原因有：压气机阻塞，长期磨损和侵蚀造成的叶片顶端间隙增加，复杂垫圈损坏，内外部件耗损，热端部件损害以及材料腐蚀等。这些物理的故障造成了燃气轮机可测性能参数（效率，流量）的变化，又使得其他可测机器参数，包括温度，压力，转速以及燃料流量的变化。我们可以从这些测量值中去探测到性能的下降并发现部件的故障，正如Urban所提出的关系如图1所示。为保证燃气轮机运行的稳定性，有效维护必不可少。随着燃气轮机诊断技术的发展，轮机维护已经从被动预防转变为基于轮机健康监视和故障诊断的稳定性维护。 目前对于燃气轮机工况监测和故障诊断有多种途径，例如性能分析，油量分析，可视化检查，管路检查，X光诊断，涡流诊断，振动监测，随便监测，噪声监测和涡轮排气监测等等。基于性能分析的诊断是其中最为有效的工具之一，通过这种方法，对燃气轮机气道参数的分析提供了燃气气道部件巨大衰退的信息。 气路分析（GPA）是在1967年由Urban第一次引入线性模型的方法，紧接着又派生出不同的方式，例如最优化模型。为了把机器部分非线性化的特点考虑进来，在1990年Stamatis等人引入了结合传统最优化的非线性模型。不幸的是，传统的最优化方法只能是在局部最优化处得到结论。近年来，这种非线性模型的不足已经被传统遗传算法所克服，这是由Zedda和Singh提出的。在1965年由Denny引入神经网络算法到燃气轮机故障诊断的应用中，并在1989年后得到充分发展和广泛运用。它有着这样的优势，建立神经网络是需要轮机试验知识，但一旦网络建立后，诊断计算变得非常快捷。燃气轮机专家诊断系统的运用可以追述到20世纪80年代早期，这种专家系统仍是目前最好的燃气轮机故障诊断方法之一，并不断地发展着。目前更多专家系统燃气轮机诊断的进展都是基于模糊专家系统的，这是由Fuster和Siu等人在1997年引入的。大多数诊断方法是基于燃气轮机稳态工况测量。在20世纪80年代晚期一些诊断信息已经采用了机器过渡工况的测量值，但基于过渡工况的数据诊断方法还有待发展。 数据误差和测量扰动引起数据在真值附近波动是导致故障诊断不准的另外一个原因。通过平均测量和过滤技术手段能有效降低由于测量扰动引起的影响，并能提高诊断精度。