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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Gasturbinen und dergleichen, und sie betrifft insbesondere Systeme und Verfahren zur Erfassung und zum Schutz gegen Pumpvorläufer in einem Verdichter durch die Messung von Leistungsänderungen in der Nähe der Schaufelpassierfrequenz.
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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Das Verdichterdruckverhältnis einer Gasturbine wird im Allgemeinen in einem vorgegebenen Abstand zu der Pump-/Strömungsabrissgrenze (der als ein Pumpgrenzabstand oder ein Strömungsabrissgrenzabstand bezeichnet wird) festgelegt, um einen instabilen Verdichterbetrieb zu vermeiden. In Gasturbinen, die zur Stromerzeugung und für andere Zwecke verwendet werden, erfordern höhere Systemwirkungsgrade im Allgemeinen höhere Verdichterdruckverhältnisse. Derart höhere Druckverhältnisse können jedoch eine Reduktion des Betriebspump-/-strömungsabrissgrenzabstands und somit eine Reduktion der Reaktionszeit, falls Pump- oder Strömungsabrissbedingungen zu entstehen beginnen, erfordern.
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Ein Lösungsansatz zur Erfassung eines Verdichterpumpens oder -strömungsabrisses besteht darin, den Funktionszustand des Verdichters durch Messung des Luftdurchflusses und des Druckanstiegs beim Durchgang durch den Verdichter zu überwachen. Diese Druckveränderungen können vielen unterschiedlichen Ursachen, wie zum Beispiel instabiler Verbrennung, rotierender Abrissströmung und Pumpereignissen an dem Verdichter selbst, zugeschrieben werden. Um diese Druckänderungen zu bestimmen, kann die Größe und Änderungsrate des Druckanstiegs durch den Verdichter überwacht werden. Diese Methode bietet jedoch keine Vorhersagemöglichkeiten für rotierende Abrissströmung oder Verdichterpumpen. Außerdem kann diese Methode keine Informationen in Echtzeit für ein Steuersystem mit hinreichender Vorlaufszeit, um derartige Ereignisse proaktiv zu handhaben, anbieten.
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Es besteht somit ein Wunsch nach verbesserten Systemen und Verfahren zur Erfassung und zum Schutz gegen Verdichterpumpereignisvorläufer. Derartige Systeme und Verfahren können ein Maß einer Verdichterpumpwahrscheinlichkeit in dem Verdichter vor einem tatsächlichen Verdichterpumpereignis selbst mit hinreichender Vorlaufzeit bestimmen, um passend reagieren zu können, um so eine Beschädigung an diesem zu vermeiden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Anmeldung ergibt somit ein Verfahren zum Überwachen eines Verdichters. Das Verfahren kann die Schritte des Bestimmens einer Schaufelpassierfrequenz, des Bestimmens einer Leistungsangabe für eine Anzahl von Frequenzen oberhalb und unterhalb der Schaufelpassierfrequenz, des Bestimmens eines Verhältnisses zwischen einer maximalen Leistungsangabe und einer minimalen Leistungsangabe für die Frequenzen für eine Anzahl vorbestimmter Zeitintervalle und des Analysierens des Verhältnisses für jedes vorbestimmte Zeitintervall, um einen Pumpzustand des Verdichters vorherzusagen, enthalten.
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Die vorliegende Anmeldung ergibt ferner ein Verdichtersystem. Das System kann einen Drehzahlsensor zur Gewinnung eines Drehzahlsignals eines Rotors, einen Drucksensor zur Gewinnung einer Anzahl dynamischer Drucksignale und eine Steuereinrichtung enthalten, die konfiguriert ist, um eine Schaufelpassierfrequenz anhand des Drucksignals zu bestimmen und um ein Verdichterpumpanzeigesignal auf der Basis der dynamischen Leistungssignale für eine Anzahl von Frequenzen oberhalb und unterhalb der Schaufelpassierfrequenz zu bestimmen.
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Die vorliegende Anmeldung ergibt ferner ein Verfahren zum Überwachen eines Verdichters hinsichtlich Pumpbedingungen in diesem. Das Verfahren kann die Schritte enthalten, wonach eine Schaufelpassierfrequenz auf der Basis eines Rotordrehzahlsignals bestimmt wird, eine Leistungsangabe für eine Anzahl von Frequenzen oberhalb und unterhalb der Schaufelpassierfrequenz auf der Basis einer Anzahl dynamischer Drucksignale bestimmt wird, ein Verhältnis zwischen einer maximalen Leistungsangabe und einer minimalen Leistungsangabe für die Frequenzen für ein vorbestimmtes Zeitintervall bestimmt wird, das Verhältnis für jedes vorbestimmte Zeitintervall analysiert wird, um eine Pumpbedingung des Verdichters vorherzusagen, und ein Pumpanzeigesignal für den Verdichter geliefert wird.
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Diese und weitere Merkmale und Verbesserungen gemäß der vorliegenden Anmeldung werden für einen Fachmann auf dem Gebiet bei einer Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den verschiedenen Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen offenkundig.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines bekannten Verdichters.
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2 zeigt eine schematische Ansicht eines Verdichterüberwachungssystems, wie es hierin beschrieben sein kann.
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3 zeigt ein Flussdiagramm, das eine schnelle Fourier-Transformation-Analyse zur Verdichterüberwachung veranschaulicht, wie sie hierin beschrieben sein kann.
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4 zeigt eine schnelle Fourier-Transformation-Darstellung der Leistungsänderungen in der Nähe der Schaufelpassierfrequenz.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Allgemein beschrieben, erzeugt eine hocheffiziente Gasturbine eine hohe elektrische Ausgangsleistung bei relativ geringen Kosten. Der Verdichter in einer derartig hocheffizienten Gasturbine kann somit betrieben werden, um ein Zyklusdruckverhältnis zu erzeugen, das einer hohen Feuerungstemperatur entspricht. Wie vorstehend beschrieben, kann der Verdichter aerodynamische Instabilitäten, wie zum Beispiel Strömungsabriss- und/oder Verdichterpumpbedingungen, erfahren, während der Verdichter verwendet wird, um die hohe Feuerungstemperatur oder das hohe Zyklusdruckverhältnis zu erzeugen. Ein Verdichter, der derartige Strömungsabriss- und/oder Pumpbedingungen erfährt, kann Probleme verursachen, die die Komponenten und die Betriebseffizienz des Verdichters und der gesamten Gasturbine beeinträchtigen können.
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Indem nun auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen gleiche Bezugszeichen überall in den verschiedenen Ansichten gleiche Elemente bezeichnen, zeigt 1 einen Teil eines Verdichtersystems 100, wie es hierin beschrieben sein kann. Das Verdichtersystem 100 kann einen Rotor 110 und einen Stator 120 enthalten. Eine Luftströmung 130 kann zwischen dem Rotor 110 und dem Stator 120 zunehmend verdichtet werden. Gewöhnlich können derartige Verdichtersysteme 100 eine mehrstufige Verdichtung verwenden, wobei der Stator 120 konfiguriert sein kann, um die Luftströmung 130 vorzubereiten und/oder von dem Rotor 110 zu einem nachfolgenden Rotor oder zu einer Plenumkammer zu lenken. Es können andere Arten von Verdichterkonfigurationen hierin verwendet werden.
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Das Verdichtersystem 100 kann ferner eine Anzahl Sensoren 140 in diesem enthalten. Die Sensoren 140 können eine Anzahl von Verdichterbetriebsparametern erfassen, die für Strömungsabriss- und/oder Verdichterpumpbedingungen kennzeichnend sein können. Insbesondere können die Sensoren 140 zum Beispiel einen Drehzahlsensor 150, der konfiguriert ist, um eine Drehzahl des Rotors 110 zu erfassen, und einen Drucksensor 160 enthalten, der konfiguriert ist, um einen Druck dynamisch an dem Rotor 110 zu erfassen. Es können andere Arten von Sensoren 140 und andere Arten von Betriebsparametern hierin verwendet und erfasst werden.
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2 zeigt eine Verdichtersteuereinrichtung 170, wie sie hierin beschrieben sein kann und wie sie bei dem Verdichtersystem 100 eingesetzt werden kann. Die Verdichtersteuerung 170 kann ein Filter 180, ein Speichermedium 190, einen Signalprozessor 200 und eine Verdichterpumpanzeigeeinrichtung 210 enthalten. Es können auch andere Komponenten hierin verwendet werden. Die Steuereinrichtung 170 kann mit dem Drehzahlsensor 150, um ein Rotordrehzahlsignal 220 zu erhalten, und mit dem Drucksensor 160 in Kommunikationsverbindung stehen, um ein dynamisches Drucksignal 230 zu erhalten. Es können andere Arten von Signalen hierin verwendet werden.
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Das Filter 180 empfängt diese Signale 220, 230 und kann konfiguriert sein, um unerwünschte Komponenten, wie zum Beispiel Hochfrequenzrauschen, aus den erfassten Parametern zu entfernen. Es können andere Filterungsarten hierin verwendet werden. Wie in größeren Einzelheiten nachstehend beschrieben, kann eine Pufferung (oder Speicherung) der gefilterten Daten über eine Zeitdauer hinweg über einer Abtastrate während eines gleitenden Fensters vorgenommen werden. In einem Beispiel tritt das gleitende Fenster während einer Zeitdauer von etwa acht (8) Sekunden auf. Es können andere Fensterlängen hierin verwendet werden.
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Das Speichermedium 190 kann konfiguriert sein, um die gefilterten und/oder gepufferten Daten zu speichern. Der Signalprozessor 200 kann mit dem Speichermedium 190 gekoppelt und konfiguriert sein, um eine schnelle Fourier-Transformation-Analyse der gepufferten Daten zu berechnen, um so eine Wahrscheinlichkeit für ein Verdichterpumpen zu bestimmen. Wie nachstehend in größeren Einzelheiten beschrieben, kann der Signalprozessor 200 einen Drehzahl-Frequenz-Wandler 202 enthalten, um das Drehzahlsignal 220 in eine Schaufelpassierfrequenz umzusetzen. Die Schaufelpassierfrequenz kann ein Produkt aus der mechanischen Drehzahl und der Anzahl von Laufschaufeln sein. Der Signalprozessor 200 kann ferner einen Effektivwert(RMS)-Wandler 206 enthalten. Der RMS-Wandler 206 kann den quadratischen Mittelwert (Effektivwert) des dynamischen Drucksignals 230 berechnen. Die Verdichterpumpanzeigeeinrichtung 210 kann mit dem Signalprozessor 200 gekoppelt und konfiguriert sein, um ein Verdichterpumpanzeigesignal 240 als Reaktion auf die Feststellung einer Gefahr eines Verdichterpumpens zu erzeugen. Das Verdichterpumpanzeigesignal 240 kann an das gesamte Verdichtersystem 100 für eine Korrekturmaßnahme, wie beispielsweise Abschaltung und andere Maßnahmen im Falle einer erfassten Verdichterpumpgefahr, angelegt werden.
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3 zeigt ein Flussdiagramm, das eine schnelle Fourier-Transformation-Analyse 250 veranschaulicht, die verwendet werden kann, um das Verdichterpumpanzeigesignal 240 basierend zum Teil auf dem Rotordrehzahlsignal 220 und den dynamischen Drucksignalen 230 zu bestimmen. Im Block 260 wird die Schaufelpassierfrequenz anhand des Rotordrehzahlsignals 220 bestimmt, das durch den Drehzahlsensor 150 erzeugt und durch den Drehzahl-Frequenz-Wandler 202 umgewandelt wird. Im Block 270 wird eine Leistungsangabe für die Frequenzbänder oberhalb und unterhalb der Schaufelpassierfrequenz mittels der dynamischen Drucksignale 230 bestimmt. Die Leistungsangabe kann ein quadratischer Mittelwert der dynamischen Drucksignale 230 sein, wie er durch den Effektivwert-Wandler 206 bestimmt wird. In diesem Falle können die Leistungsangaben für die Frequenzbänder von etwa 24 bis etwa 40 Hertz oberhalb und unterhalb der Schaufelbasierfrequenz bestimmt werden. Es können andere Bereiche hierin verwendet werden. Die Leistungsangabe in diesen Frequenzbändern kann in etwa einmal pro Sekunde überwacht werden. Es können andere Überwachungsfrequenzen hierin verwendet werden.
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Im Block 280 kann ein Fenster der Leistungsangaben für jede Frequenz für etwa acht (8) Sekunden erfasst werden. Dieses Fenster stellt somit eine acht (8) Sekunden dauernde zeitliche Historie der Leistung in jeder Frequenz um die Schaufelpassierfrequenz herum dar. Im Block 290 wird eine minimale Leistungsangabe und eine maximale Leistungsangabe für jede Frequenz in dem Fenster bestimmt. Im Block 300 wird ein Verhältnis der maximalen Leistungsangabe zu der minimalen Leistungsangabe für jede Frequenz bestimmt. Im Block 310 wird ein maximales Verhältnis der Verhältnisse ermittelt. In Abhängigkeit von der Größe kann das maximale Verhältnis somit als das Verdichterpumpanzeigesignal 240 dienen. Im Block 230 kann das Fenster mit einer Rate von etwa einmal pro Sekunde aktualisiert werden. Es können andere Aktualisierungsraten verwendet werden.
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4 zeigt eine Darstellung der schnellen Fourier-Transformation-Analyse 250 der Leistungsänderungen in der Nähe der Schaufelpassierfrequenz. Bei ungefähr t = 1200 Sekunden steigt das maximale Verhältnis der Verhältnisse deutlich um die Größenordnung von etwa 50% bis 400% gegenüber der vorhergehenden Zeitperiode (t = 0–1200 Sekunden) an. Wie veranschaulicht ist, wird das Auftreten des maximalen Verhältnisses umso häufiger, je stärker die Gefahr eines Verdichterpumpens bei den gegebenen relativen Veränderungen der Leistung vorliegen kann. Außerdem kann die Gefahr eines Verdichterpumpens bei gegebenen relativen Leistungsänderungen umso größer sein, je größer die Differenz des Betrags der Verhältnisse ist. In diesem Fall findet ein Verdichterpumpen 330 bei etwa 1600 Sekunden statt, wo die Größe des maximalen Verhältnisses der Verhältnisse um mehr als das Doppelte des vorherigen maximalen Verhältnisses der Verhältnisse der unmittelbar vergangenen 400 Sekunden angestiegen ist. In Abhängigkeit von der Größe kann eine dieser Impulsspitzen (oder können Kombinationen von diesen) als das Verdichterpumpanzeigesignal 240 dienen.
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Die schnelle Fourier-Transformation-Analyse 250 misst somit die Fähigkeit der Steuereinrichtung 170 des Verdichtersystems 100, einen gewünschten Drehzahlsollwert aufrechtzuerhalten. Wenn eine Verdichterpumpbedingung zu entstehen beginnt, kann die Steuereinrichtung 170 die Fähigkeit, den Sollwert aufrechtzuerhalten, verlieren, wie dies durch die größeren Veränderungen der Leistung in der Nähe der Schaufelpassierfrequenz angezeigt ist. Die schnelle Fourier-Transformation-Analyse 250 zeigt somit die Stabilität des Verdichtersystems 100 oder das Fehlen derselben. Die rechtzeitige Nutzung des Verdichterpumpanzeigesignals 240 kann folglich eine mögliche Verdichterbeschädigung vermeiden.
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Vorteilhafterweise können Langzeitanalysen mit schneller Fourier-Transformation der Verdichterbetriebsparameter Unzulänglichkeiten der gegenwärtigen Analyse- und Betriebsprozeduren mildern. Außerdem kann eine schnelle Fourier-Transformation-Analyse helfen, abnormale Druckstörungen genau zu erfassen, und kann somit falsche Druckpumpereignisse unter Verwendung von Skalierfaktoren und dergleichen minimieren. Außerdem können diese vorerwähnten Vorteile helfen, das Einsetzen eines Verdichterpump- und/oder Strömungsabrisszustands genau vorherzusagen, bevor das Verdichterpumpen oder der Strömungsabriss eintritt, und auf diese Weise durch eine geeignete Steuerung der Betriebsparameter auf der Basis der Vorhersage den Verdichter gegen Beschädigung zu schützen.
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Es sollte offensichtlich sein, dass das Vorstehende lediglich bestimmte Ausführungsformen des vorliegenden Anmeldegegenstands anbetrifft und dass zahlreiche Veränderungen und Modifikationen daran durch einen Fachmann auf dem Gebiet vorgenommen werden können, ohne von dem allgemeinen Rahmen und Umfang der vorliegenden Erfindung, wie durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalente definiert, abzuweichen.
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Die vorliegende Anmeldung stellt ein Verfahren zur Überwachung eines Verdichters 100 bereit. Das Verfahren kann die Schritte eines Bestimmens einer Schaufelpassierfrequenz, Bestimmens einer Leistungsangabe für eine Anzahl von Frequenzen oberhalb und unterhalb der Schaufelpassierfrequenz, Bestimmens eines Verhältnisses zwischen einer maximalen Leistungsangabe und einer minimalen Leistungsangabe für die Frequenzen für eine Anzahl vorbestimmter Zeitintervalle und Analysierens des Verhältnisses für jedes vorbestimmte Zeitintervall, um eine Verdichterpumpbedingung 330 des Verdichters 100 vorherzusagen, enthalten.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Verdichtersystem
- 110
- Rotor
- 120
- Stator
- 130
- Luftströmung
- 140
- Sensoren
- 150
- Drehzahlsensor
- 160
- Drucksensor
- 170
- Verdichtersteuereinrichtung
- 180
- Filter
- 190
- Speichermedium
- 200
- Signalprozessor
- 202
- Drehzahl-Frequenz-Wandler
- 206
- RMS-Wandler
- 210
- Verdichterpumpanzeigeeinrichtung
- 220
- Rotordrehzahlsignal
- 230
- dynamisches Drucksignal
- 240
- Verdichterpumpanzeigesignal
- 250
- schnelle Fourier-Transformation-Analyse
- 260
- Block
- 270
- Block
- 280
- Block
- 290
- Block
- 300
- Block
- 310
- Block
- 320
- Block
- 330
- Verdichterpumpen
