JP2010025106A - 失速およびサージ検出のシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータを備える圧縮機を監視するための方法を提供すること。
【解決手段】その方法は、ロータの動的圧力信号を求めるステップと、ロータのブレード通過周波数を求めるステップと、動的圧力信号にフィルタをかけるためにブレード通過周波数信号を使用するステップと、フィルタをかけられた動的圧力信号を移動ウィンドウの期間にわたってバッファするステップと、圧縮機の失速状態を予測するためにバッファされた動的圧力信号を解析するステップとを含む。
【選択図】図２

Description

本明細書で開示されている本主題は一般に、回転機械要素の健全性を監視することに関し、より詳細には、タービンの圧縮機における失速（Ｓｔａｌｌ）およびサージ検出に関する。

発電に使用されるガスタービンにおいては、高効率を達成するために、圧縮機を通常、高い圧力比で運転させる。ガスタービンの運転中には、圧縮機失速として知られる現象が発生することがある。すなわち、タービン圧縮機の圧力比が、所与の速度で臨界値を超えると、圧縮機の圧力比が減少し、エンジンの燃焼器に送り込まれる空気流もまた減少し、場合によっては向きを反転する可能性がある。圧縮機失速には多くの原因がある。一例においては、エンジンが極めて急激に加速される。別の例では、空気の圧力または温度の入口プロファイル（inlet profile）が、エンジンの通常運転中に過度に歪む。異物の吸込みによる圧縮機の損傷、またはエンジン制御システムの一部の故障もまた、圧縮機失速とそれに続く圧縮機の劣化を引き起こすおそれがある。圧縮機失速が検出されずに継続を許した場合は、圧縮機内に引き起こされる燃焼器温度および振動応力は、タービンに損傷を引き起こすほど高くなる可能性がある。

米国特許第６４３８４８４号公報 米国特許第６５３２４３３号公報 米国特許第６８５７８４５号公報 米国特許第７０２７９５３号公報 米国特許第７３０８３２２号公報

圧縮機失速検出に対する１つの手法は、圧縮機を通して空気流および圧力上昇を測定することにより圧縮機の健全性を監視することである。圧力変動は多くの原因、例えば、圧縮機自体の不安定燃焼、回転失速、およびサージ現象などに起因する可能性がある。これらの圧力変動を判定するために、圧縮機を通して圧力上昇の変化の大きさおよび速度を監視することができる。しかし、この手法は、回転失速またはサージに対する予測能力を提供せず、そのような事象に未然に対処するのに十分なリードタイムをもって、リアルタイム制御システムに情報を提供することはできない。

手短に言えば、ロータを備える圧縮機を監視する方法が提供される。その方法は、ロータの動的圧力信号を求めるステップと、ロータのブレード通過周波数を求めるステップと、動的圧力信号にフィルタをかけるためにブレード通過周波数を使用するステップと、フィルタをかけられた動的圧力信号を移動ウィンドウの期間にわたってバッファするステップと、圧縮機の失速状態を予測するためにバッファされた動的圧力信号を解析するステップとを含む。

他の実施形態においては、ロータを備える圧縮機を監視するためのシステムが提供される。そのシステムは、ロータの動的圧力信号を求めるように構成された圧力センサと、ロータの速度信号を求めるように構成された速度センサと、動的圧力信号にフィルタをかけるためにロータ速度信号を使用し、フィルタをかけられた動的圧力信号を移動ウィンドウの期間にわたってバッファし、かつ圧縮機の失速状態を予測するためにバッファされた動的圧力信号を解析するように構成された制御器とを備える。

本発明の上記その他の特徴、態様および利点は、以下の詳細な説明を添付図面と併せ読めば、よりよく理解されるであろう。それらの図面を通じて、同じ符号は同じ要素を表す。

本発明の一態様による、センサを備える圧縮機の断面図である。 本発明の一実施形態による、圧縮機の監視および制御システムを示すブロック図である。 本明細書の中で開示される一実施形態による、圧縮機の健全性の監視および制御を示すブロック図である。 長時間にわたる高速フーリエ変換表現を示す図である。

以下に詳細に論ずる通り、本発明の実施形態は、圧縮機と、圧縮機を監視するためのシステムとを有するガスタービンシステムを含む。本発明の例示的一実施形態においては、産業用ガスタービンは、例えば、蒸気タービン、および天然ガスまたは他の燃焼用燃料の燃焼により発電する発電機をも含む複合サイクル構成の一部として使用される。産業用ガスタービンは、複合サイクルシステムまたは単純サイクルシステムにおいて運転されうる。しかし、両サイクルシステムにおいて、望ましい目標は、高い電力出力を比較的低コストで発生させるために、産業用ガスタービンを高い運転効率で運転することである。通常、高効率の産業用タービンシステムにおいては、圧縮機は、高い燃焼温度に対応するサイクル圧力比を発生するように運転されなければならない。しかし、圧縮機は、高い燃焼温度または高いサイクル圧力比を発生するために使用されるので、圧縮機は、例えば失速状態および／またはサージ状態など、空力的不安定性を経験することがありうる。そのような失速および／またはサージを経験している圧縮機は、産業用ガスタービンの構成要素および運転効率に影響する問題を引き起こす可能性があることは理解されよう。一般に、安定性を維持するためには、サイクル圧力比の運転制限値内で産業用ガスタービンを連結することが望ましい。

図１は、圧縮機パラメータを検出するために、圧縮機内の各所にセンサが装着されている圧縮機の断面図を示す。図示の通り、圧縮機システム１０は、ロータ１２およびステータ１４を含む。さらに、参照数字１６は流れの方向を示し、作動流体は、１６と１８の間で次第に圧縮される。通常は、そのような圧縮機は、ステータ１４が、ロータ１２から次のロータまたはプレナムへの流れの準備をし、かつ／または方向を変えるように構成することができる多段形圧縮機を使用する。本発明の一実施形態においては、２０におけるセンサ位置が、失速および／またはサージ状態の兆しを示す圧縮機パラメータを検出するのにより適している。しかし、センサは、パラメータを感知するために、例えば２２および２４など、各所に設置されることに留意されたい。センサは、例えば、回転速度を検出するように構成された速度センサおよび圧力を動的に検出するように構成された圧力センサを含むことができる。

図２は、図１の圧縮機システム１０の中で実施されるような圧縮機の監視および制御システムの概略表現である。圧縮機の監視および制御システム３０は、制御器を含む。例示的一実施形態においては、制御器は、フィルタ３２と、記憶媒体４０と、信号プロセッサ４２と、比較器４４と、参照表４６と、失速表示器４８とを含む。そのシステムは、動的圧力信号３６を求めるため、ロータ速度信号３４からブレード通過周波数を求めるため、かつ動的圧力信号３６にフィルタをかけるためにブレード通過周波数を使用するための諸センサを含む。フィルタ３２は、センサ（図示せず）に結合される。圧縮機パラメータに対応して、センサは、ロータ速度信号３４および動的圧力信号３６などの信号を生成する。本発明の一実施形態においては、フィルタ３２は、ロータ速度信号３４および動的圧力信号３６など、感知された圧縮機のパラメータにフィルタをかけるように構成される。さらに、フィルタは、感知されたパラメータから、例えば高周波ノイズなどの望ましくない成分を除去するように構成される。本発明の企図された一実施形態によれば、フィルタは、２次のローパスフィルタ、１次の低周波数ハイパスフィルタ、および６次のチェビシェフ帯域通過フィルタなど、複数の構成を含む。そのようなフィルタは、入力パラメータおよび所望の出力に応じて適切に設定された通過帯域および遮断周波数などの構成パラメータを有することは、当業者には理解されよう。

フィルタをかけられたデータをある期間にわたってバッファすること（記憶すること）が、移動ウィンドウの間、あるサンプルレートで実施される。一例においては、移動ウィンドウは、少なくとも４秒の期間にわたって発生する。記憶媒体４０は、フィルタをかけられたデータおよび／またはバッファされたデータを記憶するように構成される。さらに、制御器は、一実施形態においては、バッファされた動的圧力信号をより低い周波数ドメインにシフトするように構成される。信号プロセッサ４２は記憶媒体４０に結合され、バッファされたデータの高速フーリエ変換を計算するように構成される。比較器４４は、信号処理部４２に結合され、計算された高速フーリエ変換データを所定のベースライン値と比較するように構成される。所定のベースライン値は、比較器と結合されている参照表４６の中に記憶される。所定のベースライン値は、失速の可能性の測定値および定数のために計算されることが理解されよう。システム３０は、比較器４４に結合され、比較に基づいて失速表示信号５０を生成するように構成された失速表示器４８をさらに含む。失速表示信号５０は、失速の可能性がある場合に修正動作を行うために圧縮機に結合される。

図３は、本発明の実施形態による、圧縮機の健全性の監視および制御の種々のステップを示す、より詳細なブロック図である。例示的一実施形態においては、圧縮機監視システム５６は、圧縮機に結合されたセンサ（図３に示さず）からロータ速度信号３４を受けるように構成されたローパスフィルタ５８を含む。ローパスフィルタは、より具体的な一実施形態において、２次のローパスフィルタを介してロータ速度信号にフィルタをかけるように構成される。典型的には、遮断周波数は約０．１Ｈｚである。しかし、遮断周波数は、速度制御トポロジに依存する。

速度−周波数変換器６０は、フィルタをかけられたロータ速度信号をブレード通過周波数６２に変換するために、ローパスフィルタに結合される。ブレード通過周波数は機械的速度とロータブレード数の積であることに留意されたい。

本発明の現在企図されている一実施形態においては、圧力などの圧縮機パラメータは、動的に監視される。動的圧力信号３６は、低周波数バイアスを除去するために１次の低周波数ハイパスフィルタを介してフィルタをかけられ、またチェビシェフ帯域通過フィルタを介してさらにフィルタをかけられることができ、両フィルタは、約４０ｄＢの通過帯域外減衰を有するフィルタ要素６６により表され、フィルタをかけられた動的圧力信号６８が求められる。当業者には理解されるように、帯域通過は、監視されたパラメータにおける変動を計算に入れるために、数百ヘルツのマージンを有さなければならない。さらに、動的圧力信号測定のサンプリングレートは、通常、帯域通過周波数の少なくとも２倍または３倍程度である。機械的速度が一定のままである場合は、帯域通過フィルタの定数は一定のままであってよい。しかし、ブレード通過周波数の位置が変化する場合は、帯域通過フィルタの定数を更新してブレード通過周波数の新しい位置を反映することは有効である。

２乗平均平方根（ＲＭＳ）変換器７０は、動的圧力信号３６の２乗平均平方根を計算する。次に、ブレード通過周波数６２とフィルタをかけられた動的圧力信号６８は乗算器７２において組み合わされ、入力７３としてローパスフィルタ７４に入力される。その結果得られるフィルタをかけられた信号７５および動的圧力信号７０の２乗平均平方根は、フィルタをかけられた信号７５を正規化するように構成された信号プロセッサ７６に入力される。正規化処理の一実施形態においては、フィルタをかけられた信号７５を増大させる正規化ゲインは、動的圧力信号７０のＲＭＳ値の逆数に２．３を乗じたものである。例示的一実施形態においては、ブロック６０は、帯域通過周波数から、低周波数状況（regime）における動的圧力信号測定値の新しい中心周波数を表す周波数を減算した値の余弦を計算するように構成される。差６２は、さらに、乗算器７２において、フィルタをかけられた動的圧力信号６８と乗算される。その結果得られた積７３は、６次（６次または高次を意味する）のチェビシェフローパスフィルタを介してフィルタをかけられ、元の高周波数の低周波数変換を表しかつ７６における正規化後の動的圧力信号を表す、シフトされた動的圧力信号７７が求められる。一実施形態においては、チェビシェフローパスフィルタの通過帯域は、（周波数をシフトすることに関連するノイズを減少させるために）シフトされた動的圧力信号測定値の周波数の新しい中心周波数の２倍である。

データ収集器７８は、さらなる解析を促進するために、シフトされた低周波数状況の動的圧力信号７７をバッファする。記憶媒体は、バッファされた動的圧力信号を記憶するように構成されうる。記憶媒体の一例には、メモリチップが含まれてよい。そのような（シフトされた低周波数状況の動的圧力信号をダウンサンプリングすることにより得られた）バッファされたデータは、ブレード通過周波数付近に中心がある周波数成分を有する動的圧力信号の適切な期間を表す。一実施形態においては、その期間は０．２５秒から８秒までである。別の実施形態においては、その期間は４秒程度である。信号プロセッサ８０は、データ収集器７８の中に記憶されているダウンサンプリングされた、バッファされたデータの高速フーリエ変換を計算する。ブレード通過周波数は、フィルタブロック８４において、変換された信号８１からフィルタで除かれる。ブレード通過周波数周りの±約１５Ｈｚの周波数範囲に関するパワーは、ソースパワーブロック８６において零に設定され、さらに変換された信号８１を乗算される。パワーコンピュータ８８は、パワーの平均値を計算し、さらに平均パワー値の平方根を計算する。そのような平均パワーは、通常、ブレード通過周波数についての失速測度９０を表す。例示的一実施形態においては、そのような失速測度９０は、スケーリングされない失速尤度を示す。

スケーリングされない失速尤度９０と入口ガイド弁スケーリング９４は、９２において乗算される。入口ガイド弁測定値８７は、入口ガイド弁スケーリング９４の計算に使用される。一実施形態においては、参照表９７は、失速尤度および失速測度を含む。失速尤度９６は、参照表９７を介して求められる。当業者には理解されるように、失速尤度の所定の値は、複数の測定値により計算される。そのような参照表は、その参照表が作成される周辺の制約を示す測定値に対して適用されるような計算定数を含む。定数は、参照表を使用しながら計算に使用することができる。本発明の一実施形態においては、スケーリングされた失速尤度９９は、入口ガイド弁スケーリング９４などのスケーリングファクタおよびスケーリングされない失速尤度９０を介して求められる。本発明の別の実施形態においては、スケーリングされた失速の可能性の測度の計算は、失速尤度９６と乗算される、スケーリングファクタとしての失速マージン残余９８を有する参照表を参照することを含む。失速マージン残余９８は、圧縮機圧力比８５を介して求めることができることに留意されたい。失速表示器４８は、スケーリングされた失速尤度９９に基づいて失速表示信号５０を計算するように構成される。失速表示信号は、さらに圧縮機に結合される。失速表示信号５０に基づいて、発生しうる何らかの失速状態および／またはサージ状態を予防するために、修正動作が圧縮機に対して実施されうる。

図４は、長時間高速フーリエ変換１００のグラフ表示であり、横軸１０２上に周波数を、縦軸１０４上にパワーを表す。高速フーリエ変換１００は、図示の通り１０６，１０８および１１０などの種々のパワースパイクを含む。この長時間高速フーリエ変換は、信号プロセッサ８０が、図３に示すように、長時間にわたってバッファされたデータを処理した後に求められる。さらに、ブレード通過周波数の代表であるパワースパイク１０６には、図３に示すように、ブロック８４においてフィルタをかけることができる。ブレード通過周波数周りの±約１００Ｈｚの中に、１０８および１１０など、いくつかのパワースパイクが記録されうる。そのようなパワースパイク（１０８および１１０）は、典型的には、正常な運転状態から逸脱している状態を暗示しており、潜在的な失速状態および／またはサージ状態の兆しを示すことができる。パワーコンピュータ８８は、図３に示すように、そのようなパワースパイクの逸脱を検出し、かつ計算するように構成される。

有利には、圧縮機パラメータの長時間高速フーリエ変換解析は、今日の解析における欠点を改善する。さらに、フーリエ変換解析は、異常な圧力摂動を正確に捕捉するのに有効であり、したがって解析においてスケーリングファクタおよび失速マージン残余を使用することによる偽りの圧力サージを最少にする。そのうえ、上述の利点は、圧縮機が失速しかつ／またはサージする前に、失速および／またはサージ状態の始まりを正確に予測することに寄与し、その予測に基づいて適切に運転パラメータを制御することによって圧縮機が損傷するのを予防する。

本発明について単にいくつかの特徴を本明細書の中で例示し、説明してきたが、多くの改変および変更が、当業者には想到するであろう。したがって、添付の特許請求の範囲が、本発明の真の精神の中に入る改変および変更のすべてを包含することが企図されていることを理解されたい。

１０ 圧縮機システム
１２ ロータ
１４ ステータ
１６ 流れの方向
１８ 流れの方向
２０ センサ位置
２２ センサ位置
２４ センサ位置
３０ 圧縮機の監視および制御システム
３２ フィルタ
３４ ロータ速度信号
３６ 動的圧力信号
４０ 記憶装置
４２ 信号プロセッサ
４４ 比較器
４６ 参照表
４８ 失速表示器
５０ 失速表示信号
５６ 圧縮機監視システム
５８ ローパスフィルタ
６０ 速度−周波数変換器
６２ ブレード通過周波数
６６ フィルタ
６８ フィルタをかけられた動的圧力信号
７０ ２乗平均平方根（ＲＭＳ）変換器
７２ 乗算器
７３ 入力
７４ ローパスフィルタ
７５ フィルタをかけられた信号
７６ 信号プロセッサ
７７ シフトされた動的圧力信号
７８ データ収集器
８０ 信号プロセッサ
８１ 変換された信号
８４ フィルタ
８５ 圧縮機圧力比
８６ ソースパワー
８７ 入口ガイド弁測定値
８８ パワーコンピュータ
９０ 失速測度（スケーリングされない失速尤度）
９２ 乗算器
９４ 入口ガイド弁スケーリング
９６ 失速尤度
９７ 参照表
９８ 失速マージン残余
９９ スケーリングされた失速尤度
１００ 長時間高速フーリエ変換
１０２ 周波数
１０４ パワー
１０６ パワースパイク
１０８ パワースパイク
１１０ パワースパイク

Claims (10)

1. ロータを備える圧縮機を監視するための方法であって、
   （ａ） 前記ロータの動的圧力信号を求めるステップと、
   （ｂ） 前記ロータのブレード通過周波数を求めるステップと、
   （ｃ） 前記動的圧力信号にフィルタをかけるために前記ブレード通過周波数信号を使用するステップと、
   （ｄ） 前記フィルタをかけられた動的圧力信号を移動ウィンドウの期間にわたってバッファするステップと、
   （ｅ） 前記圧縮機の失速状態を予測するために前記バッファされた動的圧力信号を解析するステップとを含む方法。
2. 前記動的圧力信号にフィルタをかけた後でかつ前記フィルタをかけられた動的圧力信号をバッファする前に、前記フィルタをかけられた動的圧力信号をより低い周波数にシフトするステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
3. 前記ブレード通過周波数を求めるステップが、前記ロータの機械的速度信号を求めるステップと、前記機械的速度信号から高周波ノイズを取り除くステップとを含む、請求項１記載の方法。
4. 前記高周波ノイズを取り除くステップが、前記機械的速度信号を２次のローパスフィルタでフィルタをかけるステップを含む、請求項３記載の方法。
5. 前記バッファされた動的圧力信号を解析するステップが、前記バッファされた動的圧力信号の高速フーリエ変換を計算するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
6. ロータを備える圧縮機を監視するためのシステムであって、
   （ａ） 前記ロータの動的圧力信号を求めるように構成された圧力センサと、
   （ｂ） 前記ロータの速度信号を求めるように構成された速度センサと、
   （ｃ） 前記動的圧力信号にフィルタをかけるために前記ロータ速度信号を使用し、前記フィルタをかけられた動的圧力信号を移動ウィンドウの期間にわたってバッファし、かつ前記圧縮機の失速状態を予測するために前記バッファされた動的圧力信号を解析するように構成された制御器とを備えるシステム。
7. 前記制御器が、前記ロータ速度信号からブレード通過周波数を求め、前記動的圧力信号にフィルタをかけるために前記ブレード通過周波数を使用するように構成される、請求項６記載のシステム。
8. 前記制御器がフィルタをさらに備え、前記フィルタが、２次のローパスフィルタ、チェビシェフ帯域通過フィルタ、または１次の低周波数ハイパスフィルタのうちの少なくとも１つを備える、請求項７記載のシステム。
9. 前記制御器が、前記バッファされた動的圧力信号をより低い周波数ドメインにシフトするようにさらに構成される、請求項６記載のシステム。
10. 記憶媒体に結合され、前記計算された高速フーリエ変換を所定の値と比較するように構成された比較器をさらに含む、請求項９記載のシステム。