FR2968365A1

FR2968365A1 - Systeme et procede de protection preventive contre le pompage

Info

Publication number: FR2968365A1
Application number: FR1161043A
Authority: FR
Inventors: Michael Krok; John Bolton
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2012-06-08
Anticipated expiration: 2031-12-01
Also published as: US8342010B2; DE102011055826A1; CN102536866A; DE102011055826B4; FR2968365B1; JP5977503B2; JP2012117531A; CN102536866B; US20120137759A1

Abstract

La présente invention propose un procédé de contrôle d'un compresseur (100). Le procédé peut inclure les étapes consistant à déterminer une fréquence de passage de pale, déterminer une indication de puissance pour un certain nombre de fréquences au-dessus et au-dessous de la fréquence de passage de pale, déterminer un rapport entre une indication de puissance maximum et une indication de puissance minimum pour les fréquences pour un certain nombre d'intervalles de temps prédéterminés, et analyser le rapport de chaque intervalle de temps prédéterminé pour prévoir un état de pompage (330) du compresseur.

Description

B11-5479FR 1 Système et procédé de protection préventive contre le pompage La présente invention concerne généralement des moteurs à turbine à gaz et plus particulièrement des systèmes et procédés pour la protection et la détection préventive contre le pompage dans un compresseur par la mesure de changements de puissance à proximité de la fréquence de passage de pale.

Le rapport de pression de compresseur d'un moteur à turbine à gaz est généralement réglé à une marge pré-spécifiée de la limite de pompage ou décollement (appelée marge de pompage ou marge de décollement), pour éviter un fonctionnement instable du compresseur. Dans des moteurs à turbine à gaz utilisés pour la génération de courant et d'autres besoins, de meilleurs rendements nécessitent généralement des rapports de pression de compresseur élevés. De tels rapports de pression élevés, néanmoins, peuvent nécessiter une réduction de la marge de pompage ou décollement en fonctionnement et donc une réduction du temps de réponse si des états de décollement ou de pompage commencent à se développer. Une approche de la détection du pompage ou du décollement est de contrôler le compresseur en mesurant le flux d'air et l'augmentation de pression à travers le compresseur. Des variations de pression peuvent être attribuées à un certain nombre de causes différentes comme, par exemple, la survenue d'une combustion instable, d'un décollement tournant, et d'un pompage sur le compresseur lui-même. Pour déterminer ces variations de pression, l'amplitude et le rapport de changement de l'augmentation de pression à travers le compresseur peuvent être contrôlés. Cette approche, néanmoins, n'offre pas de capacités de prévision de décollement tournant ou de pompage. De plus, cette approche peut échouer à fournir une information en temps réel à un système de commande avec un délai d'exécution suffisant pour traiter efficacement de tels évènements.

I1 y a donc un besoin pour des systèmes et procédés améliorés pour la détection préventive et la protection contre le pompage. De tels systèmes et procédés doivent pouvoir déterminer une probabilité de pompage dans le compresseur avant un évènement de pompage réel avec un délai d'exécution suffisant pour répondre de manière adéquate de façon à éviter d'endommager le compresseur. La présente invention propose donc un procédé de contrôle d'un compresseur. Le procédé peut inclure les étapes consistant à déterminer une fréquence de passage de pale, déterminer une indication de puissance pour un certain nombre de fréquences au-dessus et au-dessous de la fréquence de passage de pale, déterminer un rapport entre une indication de puissance maximum et une indication de puissance minimum pour les fréquences pour un certain nombre d'intervalles de temps prédéterminés, et analyser le rapport de chaque intervalle de temps prédéterminé pour prévoir un état de pompage du compresseur. La présente invention propose en outre un système de compresseur. Le système peut inclure un capteur de vitesse pour obtenir un signal de vitesse d'un rotor, un capteur de pression pour obtenir un certain nombre de signaux de pression dynamique, et une commande configurée pour déterminer une fréquence de passage de pale à partir du signal de vitesse et pour déterminer un signal d'indication de pompage en fonction des signaux de puissance dynamique pour un certain nombre de fréquences au-dessus et au- dessous de la fréquence de passage de pale.

La présente invention propose en outre un procédé de contrôle d'un compresseur pour des états de pompage. Le procédé peut inclure les étapes consistant à déterminer une fréquence de passage de pale en fonction d'un signal de passage de rotor, déterminer une indication de puissance pour un certain nombre de fréquences au-dessus et au-dessous de la fréquence de passage de pale en fonction d'un certain nombre de signaux de pression dynamique, déterminer un rapport entre une indication de puissance maximum et une indication de puissance minimum pour les fréquences pour un certain nombre d'intervalles de temps prédéterminés, analyser le rapport pour chaque intervalle de temps prédéterminé pour prévoir un état de pompage du compresseur, et fournir un signal d'indication de pompage au compresseur. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe d'une partie d'un compresseur ; - la figure 2 est une vue schématique d'un système de commande de compresseur selon l'invention ; - la figure 3 est un organigramme montrant une analyse par transformation de Fourier rapide pour la commande du compresseur selon l'invention ; et - la figure 4 est une représentation de transformation de Fourier rapide des changements de puissance à proximité de la fréquence de passage de pale. D'une manière générale, un moteur à turbine à gaz efficace produit une forte puissance électrique à un coût relativement faible. Le compresseur dans un tel moteur à turbine à gaz efficace peut donc fonctionner pour produire un rapport de pression de cycle qui correspond à une température d'allumage élevée. Comme décrit ci-dessus, le compresseur peut subir des instabilités aérodynamiques, comme, par exemple, des états de décollement et/ou de pompage, quand le compresseur est utilisé pour produire la température d'allumage élevée ou le rapport de pression de cycle élevé. Un compresseur subissant de tels états de décollement et/ou de pompage peut causer des problèmes qui peuvent influencer les composants et l'efficacité fonctionnelle du compresseur et du moteur à turbine à gaz de manière globale.

En se référant maintenant aux dessins, dans lesquels des numéros de référence identiques se réfèrent à des éléments identiques sur toutes les vues, la figure 1 montre une partie d'un système de compresseur 100. Le système de compresseur 100 peut inclure un rotor 110 et un stator 120. Un flux d'air 130 peut être comprimé progressivement entre le rotor 110 et le stator 120. Habituellement, des tels systèmes de compresseur 100 peuvent utiliser une compression à étages multiples dans laquelle le stator 120 peut être configuré pour préparer et/ou rediriger le flux d'air 130 depuis le rotor 110 vers un rotor suivant ou une chambre de répartition. D'autres types de configurations de compresseur peuvent être utilisés. Le système de compresseur 100 peut aussi inclure un certain nombre de capteurs 140. Les capteurs 140 peuvent détecter un certain nombre de paramètres de fonctionnement du compresseur qui peuvent être indicatifs d'états de décollement et/ou de pompage. Les capteurs 140 peuvent inclure, par exemple, un capteur de vitesse 150 configuré pour détecter la vitesse de rotation du rotor 110 et un capteur de pression 160 configuré pour détecter la pression dynamique autour du rotor 110. D'autres types de capteurs 140 et d'autres types de paramètres de fonctionnement peuvent être utilisés. La figure 2 montre une commande 170 de compresseur selon l'invention telle qu'elle peut être utilisée avec le système de compresseur 100. La commande 170 de compresseur peut inclure un filtre 180, un support de stockage 190, un processeur de signal 200, et un indicateur de pompage 210. D'autres composants peuvent aussi être utilisés. La commande 170 peut être en communication avec le capteur de vitesse 150 pour obtenir un signal de vitesse de rotor 220 et le capteur de pression 160 pour obtenir un signal de pression dynamique 230. D'autres types de signaux peuvent être utilisés. Le filtre 180 reçoit ces signaux 220, 230 et peut être configuré pour extraire des composantes indésirables comme, par exemple, le bruit haute fréquence des paramètres détectés. D'autres types de filtrage peuvent être utilisés. Comme cela sera décrit plus en détail ci-dessous, la mise en mémoire tampon (ou stockage) des données filtrées sur une période de temps peut être réalisée à une vitesse d'échantillonnage pendant une fenêtre mobile. Dans un exemple, la fenêtre mobile présente une durée d'environ huit (8) secondes. D'autres durées de fenêtre peuvent être utilisées. Le support de stockage 190 peut être configuré pour stocker les données filtrées et/ou mémorisées. Le processeur de signal 200 peut être couplé au support de stockage 190 et configuré pour calculer une analyse par transformation de Fourier rapide des données mémorisées de façon à déterminer une probabilité de pompage. Comme cela sera décrit plus en détail ci-dessous, le processeur de signal 200 peut inclure un convertisseur vitesse-fréquence 202 pour convertir le signal de vitesse de rotor 220 en une fréquence de passage de pale. La fréquence de passage de pale peut être un produit de la vitesse mécanique et du nombre de pales de rotor. Le processeur de signal 200 peut aussi inclure un convertisseur de moyenne quadratique (RMS) 206. Le convertisseur RMS peut calculer la moyenne quadratique des signaux de pression dynamique 230. L'indicateur de pompage 210 peut être couplé au processeur de signal 200 et configuré pour générer un signal d'indication de pompage 240 en réponse à la détermination d'une probabilité de pompage. Le signal d'indication de pompage 240 peut être couplé au système de compresseur 100 global pour une action correctrice comme un ralentissement et d'autres actions dans le cas d'une probabilité de pompage détectée. La figure 3 montre un organigramme d'une analyse par transformation de Fourier rapide qui peut être utilisée pour déterminer le signal d'indication de pompage 240 en fonction, en partie, du signal de vitesse de rotor 220 et des signaux de pression dynamique 230. Dans le bloc 260, la fréquence de passage de pale est déterminée à partir du signal de vitesse de rotor 220 produit par le capteur de vitesse 150 et converti par le convertisseur vitesse-fréquence 202. Au bloc 270, une indication de puissance est déterminée pour les bandes de fréquence au-dessus et au-dessous de la fréquence de passage de pale via les signaux de pression dynamique 230. L'indication de puissance peut être une moyenne quadratique des signaux de pression dynamique 230 comme déterminée par le convertisseur de moyenne quadratique 206. Dans cet exemple, les indications de puissance peuvent être déterminées pour les bandes de fréquence d'environ 24 à environ 40 hertz au-dessus et au-dessous de la fréquence de passage de pale. D'autres plages peuvent être utilisées ici. L'indication de puissance dans ces bandes de fréquence peut être contrôlée au moins une fois par seconde. D'autres rythmes de contrôle peuvent être utilisés.

Au bloc 280, une fenêtre des indications de puissance pour chaque fréquence pour environ huit (8) secondes peut être collectée. Cette fenêtre est donc un historique de huit (8) secondes de temps de la puissance dans chaque fréquence autour de la fréquence de passage de pale. Au bloc 290, une indication de puissance minimum et une indication de puissance maximum sont déterminées pour chaque fréquence dans la fenêtre. Dans le bloc 300, un rapport de l'indication de puissance maximum à l'indication de puissance minimum est déterminé pour chaque fréquence. Au bloc 310, un rapport maximum des rapports est déterminé. En fonction de l'amplitude, le rapport maximum peut ainsi servir comme signal d'indication de pompage 240. Au bloc 320, la fenêtre peut être mise à jour à un rythme d'environ une fois par seconde. D'autres rythmes de mise à jour peuvent être utilisés.

La figure 4 montre une représentation de l'analyse par transformation de Fourier rapide 250 de changements de puissance à proximité de la fréquence de passage de pale. A approximativement t=1200 secondes, le rapport maximum des rapports augmente sensiblement de l'ordre d'environ 50% à 400% par rapport à la période de temps précédente (t=0-1200 secondes). Comme montré, plus l'occurrence du rapport maximum des rapports devient fréquente, plus la probabilité de pompage peut exister étant donnés les changements relatifs de puissance. De plus, plus il y a de différence d'amplitude des rapports, plus la probabilité de pompage peut exister étant donnés les changements relatifs de puissance. Dans ce cas, un pompage 330 a lieu à environ 1600 secondes où l'amplitude du rapport maximum des rapports a augmenté de plus de deux fois celle du rapport maximum précédent des rapports des 400 secondes passées immédiates. En fonction de l'amplitude, l'un de ces pics (ou combinaisons de ceux-ci) peut servir comme signal d'indication de pompage 240. L'analyse par transformation de Fourier rapide 250 mesure ainsi la capacité de la commande 170 du système de compresseur 100 à maintenir un point de réglage de vitesse souhaité. Quand un état de pompage commence à émerger, la commande 170 peut perdre la capacité à maintenir le point de réglage comme indiqué par les plus grands changements dans la puissance à proximité de la fréquence de passage de pale. L'analyse par transformation de Fourier rapide 250 montre ainsi la stabilité, ou le manque de stabilité, du système de compresseur 100. L'utilisation en temps voulu du signal d'indication de pompage 240 peut donc éviter un endommagement du compresseur. Avantageusement, les analyses par transformation de Fourier rapide à long terme des paramètres fonctionnels du compresseur peuvent éviter les désavantages des procédures d'utilisation et d'analyse actuelles. En outre, l'analyse par transformation de Fourier rapide peut aider à capturer les perturbations de pression anormales et donc minimiser les faux pompages de pression en utilisant des facteurs d'échelle. De plus, ces avantages peuvent aider à prévoir la survenue d'états de décollement et/ou de pompage de manière précise, avant que le compresseur pompe ou décolle, et donc protéger le compresseur d'un endommagement en commandant les paramètres d'utilisation de manière convenable en se basant sur la prévision.

Liste des repères 100 Système de compresseur 110 Rotor 120 Stator 130 Flux d'air 140 Capteurs 150 Capteur de vitesse 160 Capteur de pression 170 Commande de compresseur 180 Filtre 190 Support de stockage 200 Processeur de signal 202 Convertisseur vitesse-fréquence 206 Convertisseur RMS 210 Indicateur de pompage 220 Signal de vitesse de rotor 230 Signal de pression dynamique 240 Signal d'indication de pompage 250 Analyse par transformation de Fourier rapide 260 Bloc 270 Bloc 280 Bloc 290 Bloc 300 Bloc 310 Bloc 320 Bloc 330 Pompage

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de contrôle d'un compresseur (100), comprenant les étapes suivantes : déterminer une fréquence de passage de pale ; déterminer une indication de puissance pour une pluralité de fréquences au-dessus et au-dessous de la fréquence de passage de pale ; déterminer un rapport entre une indication de puissance maximum et une indication de puissance minimum pour la pluralité de fréquences pour une pluralité d'intervalles de temps prédéterminés ; et analyser le rapport pour chaque intervalle de temps prédéterminé pour prévoir un état de pompage (330) du compresseur (100).
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape consistant à déterminer une fréquence de passage de pale comprend d'obtenir un signal de vitesse de rotor (220) et de convertir le signal de vitesse de rotor (220) en la fréquence de passage de pale.
3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape consistant à déterminer une indication de puissance comprend d'obtenir un signal de pression dynamique (230)
4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l'étape consistant à déterminer une indication de puissance comprend d'obtenir une moyenne quadratique du signal de pression dynamique (230).
5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape consistant à déterminer un rapport entre une indication de puissance maximum et une indication de puissance minimum pour la pluralité de fréquences pour une pluralité d'intervalles de temps prédéterminés comprend de déterminer le rapport environ une fois par seconde et d'organiser une pluralité de rapports dans une fenêtre.
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel l'étape consistant à organiser la pluralité de rapports comprend d'organiser la pluralité de rapports dans une fenêtre d'environ huit (8) secondes.
7. Procédé selon la revendication 5, comprenant en outre l'étape consistant à mettre à jour la fenêtre.
8. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape consistant à analyser le rapport pour chaque intervalle de temps prédéterminé pour prévoir un état de pompage (330) du compresseur (100) comprend d'obtenir une pluralité de rapports maximum et de fournir l'un des rapports maximum comme un signal d'indication de pompage (240).
9. Procédé selon la revendication 8, comprenant en outre l'étape consistant à fournir le signal d'indication de pompage (240) au compresseur (100).
10. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre l'étape consistant à générer une représentation d'analyse par transformation de Fourier rapide (250).
11. Système de compresseur (100), comprenant : un capteur de vitesse (150) pour obtenir un signal de vitesse (220) d'un rotor (110) ; un capteur de pression (160) pour obtenir une pluralité de signaux de pression dynamique (230) ; une commande (170) configurée pour déterminer une fréquence de passage de pale à partir du signal de vitesse de rotor (220) et pour déterminer un signal d'indication de pompage (240) en fonction de la pluralité de signaux de pression dynamique (230)pour une pluralité de fréquences au-dessus et au-dessous de la fréquence de passage de pale.