專利名稱：高溫燃氣輪機部件的壽命管理方法及其計算機編程實現(xiàn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對暴露在高燃氣溫度下的大型工業(yè)燃氣輪機部件的壽命進行管理的方法。根據(jù)電廠運行條件的性質(zhì)，通常在主要經(jīng)受兼有氧化、蠕變和疲勞的部件上會用到超耐熱合金材料的機械性能。由于難以將上述機理之間的非線性相互作用進行量化，工業(yè)界就不得不依靠經(jīng)驗設(shè)計準則來估計剩余壽命和進行中途維修或整修運行。本發(fā)明提出的新方法能根據(jù)各電廠的運行條件預(yù)測裂紋和裂紋增長速度。同樣，新方法能根據(jù)各電廠的運行負載循環(huán)估計運行周期時間以達到維修極限。
背景技術(shù)：
根據(jù)電廠實際運行條件的類型，甚至在電廠運行的早期高溫燃氣輪機部件就可能出現(xiàn)氧化、裂紋等可見標志。在傳統(tǒng)的(氣輪機)熱電廠中，不允許發(fā)生例如裂紋之類的缺陷。在工業(yè)燃氣輪機電廠中，在正常檢查中發(fā)現(xiàn)的例如裂紋的缺陷，如果它們滿足維修標準，則將被修復(fù)，或者當超出維修極限時則被廢棄。目前還采用另一種損傷容限(damage tolerance)的設(shè)計方法，其中低于某個標準的小故障并不一定要修復(fù)。
作出維修或更換的決定的維護周期還是基于經(jīng)驗判斷。因此，難以使用一個標準化的公式來準確預(yù)測熱部件的剩余壽命。在工業(yè)界用來估計各種相互作用并指導(dǎo)維修和“壽命終點”(end-of-life)更換決定的一個方法是應(yīng)用下面的公式(見方程1)公式中的術(shù)語AOH為實際運行時間(actual operating time)；
EOHe為等效運行時間(equivalent operating time)；F為將起/止循環(huán)轉(zhuǎn)換為等效運行時間的系數(shù)EOHe＝AOH+F×(起/止周期的個數(shù))……………………(1)在部件的壽命終點作出維修或更換部件的決定是以等效運行時間EOHe為依據(jù)的。也就是說，當EOHe小于由設(shè)計設(shè)定的EOHd時，就判斷該運行仍然是在可繼續(xù)安全運行的運行極限范圍內(nèi)。如果EOHe等于或大于EOHd，則部件已經(jīng)達到了其壽命終點。
先進的工業(yè)燃氣輪機使用了更高級的材料和涂料系統(tǒng)，可在高溫下更有效率地運行。因此，制造這些部件的總成本以及在壽命周期的中期維修的費用要遠高于以前的燃氣輪機的費用。而且，在維護中需要更先進的檢查和維修技術(shù)以提供精確的維修配置，并保證硬件完整性以用于維修運行之后進一步的服務(wù)。正如在部件的原預(yù)期服務(wù)壽命內(nèi)發(fā)生的高“損耗”(＂fallout＂)或過早的零件替換所反應(yīng)的那樣，無法有效地作出以上那些決定，已成為工業(yè)界的一個重大障礙。同樣地，在那些修復(fù)過的零件上有著高得多的發(fā)生二次損傷的危險，尤其是在維修操作改變了葉片的幾何形狀和內(nèi)冷卻通道的完整性的情況下。因此，非常需要改進現(xiàn)有的對維護和更換決定進行預(yù)測的方法，從而將壽命周期最大化。目前，不能用現(xiàn)有的方法根據(jù)具體電廠的負載循環(huán)情況來預(yù)測裂紋和裂紋增長速度。
本發(fā)明是特別為滿足上述需要而構(gòu)思的，該需要就是對于給定的電廠運行情況，能夠精確地預(yù)測裂紋形成、裂紋增長速度和運行周期，直到維修極限。使用計算機，該方法和手段也可以計算設(shè)備中單個零件的壽命消耗，并由此通過處理總體運行和維護的歷史參數(shù)來跟蹤該零件的總體壽命消耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是通過分析來自該快捷(fleet)檢查數(shù)據(jù)庫的各個部件的所有維護和維修數(shù)據(jù)，利用相關(guān)類型的電廠負載循環(huán)(即運行時間/運行周期)的實際檢查數(shù)據(jù)而開發(fā)的。
該方法采用了一種稱為威布爾(Weibull)的統(tǒng)計學(xué)方法，該統(tǒng)計法利用名為最大可能估計方法(the Maximum Likelihood estimationmethod)的程序。該方法可將檢查記錄分類并提供在實際的電廠運行條件下的一套部件中各種裂紋長度發(fā)生的可能性。應(yīng)注意到，該方法隱含地說明了“基本負載運行小時”和“啟動，停止周期”運行之間對裂紋產(chǎn)生和裂紋增長速度的相互作用。這兩者都是裂紋產(chǎn)生和裂紋生長速度的主要驅(qū)動力。使用以上方法和手段，就可以構(gòu)造出硬件的維修極限。
開發(fā)一計算機程序，用以將來自電廠運行歷史的數(shù)據(jù)與其他相關(guān)因素，例如維護和維修歷史相聯(lián)系，從而跟蹤各個部件的壽命消耗。


圖1以曲線圖的形式說明本發(fā)明管理燃氣輪機的高溫部件的剩余壽命的方法。橫軸為運行時間，縱軸為運行起/止周期。
圖2示出對現(xiàn)有高溫部件的實際數(shù)據(jù)使用本發(fā)明的方法的一個實施例。橫軸為運行時間，縱軸為工作起/止周期。
圖3以曲線圖的形式示出了從現(xiàn)有材料(鈷基超耐熱合金)的周期性能推斷新材料(鎳基超耐熱合金)的周期性能的方法。在此圖中，鎳基超耐熱合金具有比鈷基超耐熱合金高10倍的周期性能。橫軸為疲勞周期，縱軸為材料應(yīng)力范圍。
圖4以曲線圖的形式說明相對于現(xiàn)有材料增大新材料的周期性能的方法。在此圖中，系數(shù)10用于新材料的運行周期。由此，建立了新邊界以管理用新研制的材料制成的高溫部件的壽命。橫軸為運行時間，縱軸為運行起/止周期。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參照附圖，說明本發(fā)明管理燃氣輪機的高溫部件的壽命的方法的一個實施例及其通過計算機程序的實施。應(yīng)理解此說明不以任何方式限制本發(fā)明。
注意本發(fā)明的用語“高溫部件”特指暴露在高溫環(huán)境下的燃氣輪機的組合零件，例如渦輪旋轉(zhuǎn)葉片、渦輪靜止葉片以及燃燒器部件。此外，本發(fā)明的用語“運行周期”，指操作燃氣輪機的啟動次數(shù)與事故暫停(trip)(即突然的引擎停轉(zhuǎn))次數(shù)的總和。引擎啟動和暫停(trip)的次數(shù)越多，高溫部件中的疲勞等級就越高，即使與啟動暫停數(shù)較少的燃氣輪機保持相同的運行時間也是如此。換句話說，部件壽命的較大部分是在頻繁啟動和暫停中被消耗掉的。
如圖1(橫軸為運行時間，縱軸為運行周期)所示，根據(jù)本實施例中管理高溫燃氣輪機部件的壽命的方法，形成一梯形運行區(qū)3且該運行區(qū)由基于以前部件的實際數(shù)據(jù)的部件壽命極限(即部件有用壽命的極限)設(shè)置的直線1與最大運行時間直線2所限制。然后采用一種控制方法，在該方法中將運行區(qū)域3(即陰影線指出的部分)設(shè)為被評估的高溫部件的運行極限(即部件壽命)。
根據(jù)對具有相同疲勞類型和相同疲勞程度的高溫部件的評估，運行時間與運行周期之間的相互關(guān)系決定部件壽命極限直線1。現(xiàn)參照圖2說明其中一個具體實施例。
因為關(guān)于過去在其他燃氣輪機中使用的高溫部件的疲勞條件，已經(jīng)收集有大量數(shù)據(jù)，所以此數(shù)據(jù)可畫成示出運行時間和運行周期的曲線圖，如圖2所示。疲勞程度的趨勢可通過選擇相同疲勞條件數(shù)據(jù)并用適當?shù)狞c畫出直線而獲得。換句話說，在圖2中，確定4條直線(即5mm、20mm、60mm和100mm)作為渦輪葉片中的裂紋增長趨勢。然后通過選擇這些直線中最接近設(shè)計允許的最大裂紋長度(例如100mm)的一條線，確定上述壽命極限直線1。
最大運行時間直線2為由管理規(guī)定或其他因素所設(shè)定的直線。在此實例中，運行時間極限指定為16,000小時。
通過將壽命極限直線1和最大運行時間直線2輸入到計算機(未示出)中并將它們畫在與圖1相同的圖形上，形成運行區(qū)域3的邊界。而且，通過使用相同的計算機模型，連續(xù)地輸入并畫出高溫部件的運行時間和運行周期數(shù)據(jù)，如圖1所示，當前(或任意運行時間的)高溫部件的疲勞狀況可以確定為運行區(qū)域3中的一個位置，從而能夠監(jiān)測疲勞狀況。也就是說，通過連續(xù)地連接在運行區(qū)域3中畫出的每個點，可以確定高溫部件的疲勞狀況的趨勢，如軌跡4。
通過當前在相同圖形上畫出此軌跡4的趨勢(例如斜率)以及運行區(qū)域3中疲勞狀況的位置，就能夠決定之后的運行時間和運行周期?；蛘哒f，將圖1中的a點作為當前時間點的疲勞狀況，并沿其當前趨勢繼續(xù)運行，在到達位于壽命極限直線1上的b點之前，允許有運行時間Δt和運行周期Δc。因此，通過選擇在運行時間t和運行周期c內(nèi)且對之后燃氣輪機的運行進行合適的運行時間和運行周期組合，就能夠精確預(yù)測高溫部件的運行性能。
而且，和傳統(tǒng)情況不同，因為能夠?qū)⒃u估結(jié)果不是確定為簡單的數(shù)值，而是確定為在運行區(qū)域3中的一個位置(即相應(yīng)高溫部件的總壽命內(nèi)的一疲勞位置)，就能夠直觀地進行壽命評估和控制。
應(yīng)當注意，為在計算機中執(zhí)行上述管理燃氣輪機中高溫部件的壽命的方法(即一個程序，它首先通過基于以前高溫部件的實際數(shù)據(jù)確定壽命極限直線1，以建立圖1，然后在圖1上畫出所評估的高溫部件的運行時間和運行周期的數(shù)據(jù)。接著，它在當前時間點或在任何運行時間處，確定疲勞狀況，作為由壽命極限直線1所限定的運行區(qū)域3內(nèi)的一個位置)而存貯程序的介質(zhì)的例子有CD-ROM、DVD-ROM等。但是，例子并不限于這些，且應(yīng)理解，可以使用其他的介質(zhì)。
上述方法適用于所評估的高溫部件和實際數(shù)據(jù)的高溫部件由相同材料制成的情況。但是，即使在兩部件的材料不同時，本發(fā)明也可用于圖3和圖4中所說明的方法。
也就是說，如果所評估的高溫部件的材料由鈷基合金(鈷基超耐熱合金)變?yōu)殒嚮辖?鎳基超耐熱合金)，則它們在相同材料應(yīng)力范圍Δε下的疲勞周期的比例由綜合材料數(shù)據(jù)而定。材料數(shù)據(jù)本身的已知特性大致如圖3所示。
下一步，如果鎳基合金與鈷基合金的疲勞周期的比例為，例如，將比例系數(shù)定為10，則如圖4所示進行修正，從而在運行周期的方向上(即在縱軸方向上)將部件壽命極限直線1提高10倍。通過進行此種修正，得到運行區(qū)域3A且該運行區(qū)由使用鎳基合金高溫部件時確定的新的部件壽命極限直線1A來限定其邊界。接著，通過在運行區(qū)域3A內(nèi)以上述軌跡4所用的相同方法畫出所評估的鎳基合金高溫部件的運行軌跡，就可以管理在運行極限內(nèi)的壽命。
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，管理設(shè)置在燃氣輪機中的高溫部件壽命的方法，可以高度精確地評估并管理燃氣輪機中使用的高溫部件的疲勞狀況/壽命。而且，可以得到不像傳統(tǒng)情況中那樣的簡單數(shù)值形式的評估結(jié)果，而是以部件壽命極限內(nèi)的位置(即高溫部件的總壽命中的疲勞位置)形式的結(jié)果，從而可以直觀地評估并管理該使用壽命。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，管理燃氣輪機中提供的高溫部件壽命的方法，可以通過用計算機監(jiān)測高溫部件的疲勞狀況/壽命，以減少壽命控制所需要的勞動。
根據(jù)本發(fā)明的第三個方面的管理燃氣輪機中提供的高溫部件壽命的方法，可以比使用傳統(tǒng)公式的方法更加精確地設(shè)定后續(xù)的運行時間和運行周期。
根據(jù)本發(fā)明的第四個方面的管理燃氣輪機中提供的高溫部件壽命的方法，可以在與基于實際數(shù)據(jù)的相同高溫部件采用不同材料時進行壽命控制。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面的程序介質(zhì)，由于可以根據(jù)過去在實際運行中使用的高溫部件的實際數(shù)據(jù)確定所評估的高溫部件的疲勞狀況，就可以高度精確地評估并管理用于燃氣輪機的高溫部件的疲勞狀況/壽命。而且，可以獲得不像傳統(tǒng)情況中那樣簡單數(shù)值的形式的評估結(jié)果，而是使用極限內(nèi)的位置(即高溫部件的總壽命中的疲勞位置)形式得到該結(jié)果，從而可以直觀地評估并管理該使用壽命。
權(quán)利要求
1.一種管理燃氣輪機中設(shè)置的高溫部件的壽命的方法，其中，被評估的高溫部件的壽命設(shè)定在根據(jù)實際數(shù)據(jù)確定的部件壽命極限之內(nèi)，所述實際數(shù)據(jù)利用過去的高溫部件的疲勞狀況給出運行時間與運行周期之間的相互關(guān)系。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的管理燃氣輪機中設(shè)置的高溫部件的壽命的方法，其特征在于，關(guān)于高溫部件的運行時間和運行周期的壽命極限和數(shù)據(jù)被輸入計算機，并通過將此疲勞狀況確定為與壽命極限相關(guān)的一個位置，從而監(jiān)測任意運行時間下高溫部件的疲勞狀況。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的管理燃氣輪機中設(shè)置的高溫部件的壽命的方法，其特征在于，將在由壽命極限所限定的運行區(qū)域內(nèi)的高溫部件的疲勞狀況確定為一軌跡，并根據(jù)此軌跡的趨勢以及當前時間點上運行區(qū)域內(nèi)高溫部件的位置決定后續(xù)的運行時間和運行周期。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項的管理燃氣輪機中設(shè)置的高溫部件的壽命的方法，其特征在于，當過去的部件與高溫部件由不同的材料制成時，根據(jù)疲勞周期的比率對兩種材料的壽命極限進行修正，以得到相同的材料畸變。
5.一種用于管理燃氣輪機中高溫部件的壽命的計算機程序，其中，所述程序涉及高溫部件的運行時間和運行周期數(shù)據(jù)以及根據(jù)實際數(shù)據(jù)設(shè)定的部件壽命極限，所述部件壽命極限基于過去的高溫部件疲勞裂紋的運行時間與運行周期之間的相互關(guān)系而設(shè)定；將在任意運行時間下的高溫部件疲勞狀況確定為由壽命極限所限定的運行區(qū)域內(nèi)的一個位置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種管理用在燃氣輪機中的高溫部件的剩余壽命的方法，該方法能評估并高度精確地控制高溫部件的疲勞狀況；并提供在計算機上執(zhí)行管理燃氣輪機高溫部件的剩余壽命的方法的程序介質(zhì)。在管理用在燃氣輪機中的高溫部件的剩余壽命的方法中，被評估的高溫部件的壽命設(shè)在運行區(qū)域內(nèi)，該運行區(qū)域由根據(jù)實際數(shù)據(jù)確定的部件壽命極限直線所限定，這些實際數(shù)據(jù)給出運行時間與運行周期之間對于過去的高溫部件的疲勞狀況的相互關(guān)系。對于程序介質(zhì)，采用設(shè)有管理燃氣輪機中使用的高溫部件壽命的方法程序的介質(zhì)作為程序介質(zhì)。
文檔編號F02C7/00GK1489041SQ0314910
公開日2004年4月14日 申請日期2003年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月11日
發(fā)明者富田康意, 光, 桑原正光, 一郎, 正田淳一郎, 弗里德里?！上Ｑ? 里希 澤希延, 卡利安坡爾, 維諾德·卡利安坡爾, 李晙熙 申請人:三菱重工業(yè)株式會社