基于模型的三轴燃气轮机气路故障诊断研究

摘要

随着燃气轮机在航空、舰船和能源工业中扮演着越来越重要的角色，它们的安全和高效运行对航空、舰船、电力系统安全性和经济性影响也越来越重要。结构的复杂，工作条件的恶劣，使得燃气轮机极易发生故障。燃气轮机气路故障诊断研究具有重要的理论意义和工程应用价值。
　　GT25000型燃气轮机是工业/船用三轴燃气轮机，目前已实现国产化，其改型燃机在国内工业发电以及西气东输等项目中广泛应用。本文以GT25000为原型的三轴燃气轮机为研究对象，围绕基于模型的三轴燃气轮机气路故障诊断进行研究。
　　首先，采用模块化思想，建立了基于Matlab/Simulink的三轴燃气轮机模型，其中考虑了燃气组分，抽气冷却，热物性随温度的变化，容积惯性等因素，保证了模型仿真精度。通过设计点稳态循环热力计算为模型提供必要的仿真参数。模型在设计工况附近动态仿真仿真结果与三轴燃气轮机真实运行情况基本吻合，保证了使用该模型进行燃机气路故障诊断的可信度。
　　其次，参考非线性模型线性化的拟合法，提出对小扰动法建模时的扰动量进行优化的方法，不仅能够提高线性化建模的精度，而且此方法优化时并不改变系统矩阵元素原本的物理意义，优化后的结果可直接应用于状态扩展后的线性气路故障模型的建立。在建立了精确线性模型的基础上，将健康参数增广到系统状态中，建立了可以描述三轴燃气轮机部件性能蜕化的线性故障模型。经过离散化处理，线性故障模型可直接应用于自适应滤波器。
　　再次，分别利用扩展卡尔曼滤波器和强跟踪滤波器对三轴燃气轮机渐变型和快变型气路故障进行诊断，实现了对部分气路部件性能参数的准确跟踪。进一步的仿真结果验证了强跟踪滤波器准确、快速的跟踪性能。在已有的三轴燃气轮机模型和诊断系统测量选择基础上，两种滤波器均只能对部分性能参数实现准确跟踪，但无法完成全部部件健康参数的估计，这里涉及到诊断系统能观性的问题。
　　最后，分别通过基于奇异值分解（SVD）的方法和线性故障模型仿真的方法，对不同气路故障诊断系统的能观性进行了检测和分析，并得到比较一致的分析结果。随后利用不同的诊断系统，进行基于强跟踪滤波器的三轴燃气轮机快变气路故障诊断，诊断结果和能观性检测分析结果基本相符。通过对诊断系统的能观性仿真验证可知，采用合适的诊断系统，其测量对三轴燃气轮机气路部件性能参数变化足够灵敏，则滤波器能够准确跟踪全部气路部件性能参数的变化。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 燃气轮机常见气路故障

1.3 燃气轮机气路故障诊断技术研究进展

1.4 论文主要内容

第2章 三轴燃气轮机模型

2.1 本章引言

2.2 模块化建模和三轴燃气轮机系统分析

2.3 效应模型

2.4 主要气路部件模型

2.5 三轴燃气轮机设计工况稳态循环热力参数计算

2.6 三轴燃气轮机动态仿真分析

2.7 本章小结

第3章 面向气路故障诊断的三轴燃气轮机线性化模型

3.1 本章引言

3.2 三轴燃气轮机线性状态空间模型的建立

3.3 三轴燃气轮机部件健康参数

3.4 三轴燃气轮机气路故障模型

3.5 本章小结

第4章 基于自适应滤波器的三轴燃气轮机气路故障诊断

4.1本章引言

4.2 基于EKF的三轴燃气轮机气路故障诊断研究

4.3 基于STF的三轴燃气轮机气路故障诊断研究

4.4 EKF和STF的诊断性能对比分析

4.5 本章小结

第5章 气路故障诊断系统的能观性

5.1 本章引言

5.2 系统能观性及其分析方法

5.3 基于奇异值分解的能观度分析

5.4 气路故障诊断系统能观性的检测

5.5 测点对故障诊断系统能观性的影响验证

5.6 本章小结

第6章 结论与展望

6.1结论

6.2本文的创新点

6.3展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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