JP2015529768A - ガスタービンとその運転監視方法および監視装置 - Google Patents

Abstract

ガスタービンの運転監視方法。本発明はガスタービン１０の運転を監視するための方法であって、ガスタービン１０の運転中に構造部品の振動がその構造部品に設置された加速度センサー４０によって検出され、この加速度センサー４０から伝達され処理された信号３９から複数の周波数帯ｆｂによって複数の信号部分が求められる。あとで不必要と分かる点検を行ってガスタービン１０を不必要に停止することを避けるために、そして結果的にガスタービン１０の稼働率を向上するために、本発明は、関係する複数の信号部分の振幅が或る周波数帯固有閾値よりも大きい信号部分としこれらの振動期間を合算することによって、合計振動期間を求めることを提案する。【選択図】図２

Description

本発明はガスタービンの運転を監視するための方法に関し、ガスタービン運転中に構成部品の振動が当該構成部品に設置された加速度センサーにより検出され、この加速度センサーから伝達された信号から複数の周波数帯によって複数の信号部分が求められる。

この種の監視方法はガスタービンではしばしば用いられている。というのは、気体および液体燃料の燃焼時に燃焼振動が生じ、これが燃焼室を取り囲む構成部品に動きを与えることがあるからである。燃焼室を取り囲むこれらの構成部品をここでは燃焼器と呼ぶ。この種の燃焼振動は、１つの環状燃焼器のみを有するガスタービンでも、円周上に均等に分散配置された複数の管状燃焼器を有するガスタービンでも発生する。これらの管状燃焼器は英語では「ｃａｎｓ」と呼ばれる。加速度センサーは、燃焼器加速度の加速度の大きさと周波数スペクトルとを表わす信号を発生する。

従来技術では、この連続的な時間信号が例えば１秒以内の短い時間間隔でフーリエ変換により処理され、対応する時間間隔を表す１つの離散的な周波数信号に変換される。こうして求められた周波数スペクトルは次に複数の周波数帯に分割され、それぞれの周波数帯に対して１つの個別の閾値が定められる。１つの周波数帯内で、その周波数帯に対応する閾値を超える振幅を有する振動が生じると、ガスタービン運転者に警報が表示され、必要な場合には、燃焼器をその構成部品を損傷する振動から保護するために、ガスタービンの緊急遮断が実行される。当業者はこの遮断を「トリップ（Ｔｒｉｐ）」と呼ぶ。

しかし、トリップを惹き起こさない燃焼器振動が構造メカニズム的な損傷を起こすことがある。その場合、複数のセラミック熱遮蔽タイルで被覆された環状燃焼器では、これらのタイルに亀裂が生じ、このことが安定性と完全性を損なう。さらに、この亀裂に高温ガスが侵入することにより、タイルの支持構造部における剥離のような損傷が引き続いて生じる。

この理由から、燃焼器、特にタイル貼りの環状燃焼器は１回の点検の間に複数回の定期的な時間インターバルで目視検査を受ける。こうしてこの種の欠陥を早期に確認することができる。これらの欠陥が在る場合には、損傷した要素ないし構成部品は交換される。しかし、ガスタービンの目視検査のためには運転停止時間が必要であり、これはガスタービンの稼働率を低下させる。

目視検査を複数回行っても１つの損傷も記録されないことがあることが分かった。この場合にはその目視検査は不必要に行われたことになる。

そこで本発明の課題は、目視検査のためにこれまで不必要に行われたガスタービンの複数回の停止状態を回避できる、ガスタービンの運転監視方法を提供することにある。

本発明の基になるこの課題は、請求項１の特徴による方法によって達成される。

本発明では、ガスタービン運転中に構成部品振動をその構成部品に設置した１つの加速度センサーにより検出し、この加速度センサーから伝達された信号に基づく、加速度を表わす１つの信号が、１つまたは複数の周波数帯によって、１つまたは複数の信号部分に分割されるように構成されたガスタービンの運転監視方法において、時間間隔を合計することによって合計振動期間が求められるように為されており、ここで、合計する個々の信号部分における最大振幅がそれに対応する周波数帯固有の閾値よりも大きいようにする。特にこの構造部品が燃焼器として形成されているので、それに設置された前記センサーで燃焼器振動および／または燃焼器加速度を検出することができる。このセンサーから供給された信号は、次に、通常は１秒以内の短い時間間隔でフーリエ変換により処理され、この短い時間間隔の加速度を表わす信号として引き続き処理される。

この処理された信号から、周波数帯に依存して、振動期間で重み付けされた、対応する時間間隔を合計することによって、合計振動期間が求められる。これらの時間間隔が合計されるか、あるいは、１つの合計振動期間が求められるか、とは無関係に、損傷をもたらす周波数帯における、これに対応する周波数帯固有閾値よりも大きい振幅が現れる時間間隔だけが考慮される。これらの周波数帯に固有な閾値は「トリップ」を惹き起こす閾値よりも小さくすることができる。複数の周波数帯のすべての閾値を等しくすることも可能である。

すなわち、本発明は、振動する構造部品およびそれに隣接する部品にとって、比較的大きな振幅を有する周波数の全てが有害なのではない、という知見に基づく。これに関して、本発明は、このような複数の振幅をフィルタ除去するという解決を与える。

好ましくは、最大許容の合計振動期間あるいは最大許容の合計閾値に予定時期以前に到達しないようにすべく、処理された信号から、損傷をもたらす振幅が長期にわたり現れる幾つかの信号部分が選択される。換言すると：本発明では、比較的大きな振幅であってもガスタービン構造部品に損傷を与えない複数の周波数帯は考慮されない。

代案として、損傷を与えない周波数が現れる複数の周波数帯に対しても、決して到達しないように大きく選ばれた閾値を設けることができる。この限りにおいて、これらの周波数帯には、合計振動期間に合算されるべき振動期間は決して生じない。

ここに提案された解決法により、ガスタービンの不必要な停止状態、および、その結果としての、異常なしという点検を回避することができ、これによりガスタービンの稼働率を向上することができる。

したがって、構造部品、特に燃焼器にとって危険な周波数帯に存在する複数の加速度のみが合計される。その他の危険ではない周波数帯に現れる複数の加速度は、本発明では考慮されない。

本発明の有利な形態と展開が従属請求項に記載されている。これらは任意な方法で相互に組み合わせることができる。

本発明の１つの有利な形態では、合計値が１つの閾値と比較され、または、合計振動期間が１つの合計振動期間閾値と比較され、この合計振動期間閾値を超えると、ガスタービンの点検、ガスタービンの保守および／またはガスタービン構造部品の交換が行われる。

ガスタービンの運転を監視するための、および、本方法を実施するための装置は、諸振動により励起されて加振されるガスタービン構造部品の加速度を検出するための少なくとも１つの加速度センサーと、振動する当該構造部品の複数の振動期間を合計することにより１つの合計振動期間を算出するための１つの計算ユニットとを含み、前記合計計算は周波数帯に依存して行われる。

本装置のために得られる利点は本発明による方法と同様である。

本装置は特に本発明による方法を実施するのに適している。

本発明を実施例に基づき詳細に説明する。本発明のさらなる利点と特徴は図に示されている。

定置形ガスタービンの長手方向部分断面図 加速度センサーによりｔ＝ｔ₀時点で検出された信号の周波数スペクトル

図１は定置形ガスタービン１０を長手方向断面で示す。ガスタービン１０は内部に、回転軸１２の周りを回転可能に軸受されたローター１４を有し、このローターはタービンローターとも呼ばれる。ローター１４に沿って順次、吸い込みハウジング１６、軸流ターボ圧縮機１８、互いに回転対称に配置された複数のバーナー２２を備えたトーラス形状の環状燃焼器２０、タービンユニット２４およびタービン出口ハウジング２６が配置されている。

軸流ターボ圧縮機１８は環状に形成された圧縮機流路２５を含み、その内部に動翼輪と静翼輪とからなる複数の圧縮段がカスケード状に順次配置されている。ローター１４に設置された動翼２７の自由端である翼先端部２９が圧縮機流路２５の外側流路壁４２に対向している。圧縮機流路２５は圧縮機出口ディフューザー３６を介してプレナム３８に通じている。プレナムの内部で環状燃焼器２０が燃焼室２８を備え、この燃焼室はタービンユニット２４の環状の高温ガス流路３０に繋がっている。タービンユニット２４内には４つのタービン段３２が相前後して接続されている。ローター１４には発電機または作業機械が結合されている（いずれも図示されていない）。

ガスタービン１０の運転中には、軸流ターボ圧縮機１８が吸い込みハウジング１６を通して圧縮媒体としての周辺空気３４を吸い込み、これを圧縮する。圧縮された空気は圧縮機出口ディフューザー３６を通ってプレナム３８に供給され、そこからバーナー２２に流入する。バーナー２２を介して燃料も燃焼室２８に到達する。そこで燃料は圧縮空気を加えることにより燃焼し高温ガスＭを生成する。次にこの高温ガスＭは高温ガス流路３０に流入し、そこで膨張してタービンユニット２４のタービン翼に対して仕事をする。この間に解放されたエネルギーはローター１４によって受け止められ、一方では軸流ターボ圧縮機１８の駆動に、他方では作業機械または発電機の駆動に利用される。

環状燃焼器２０には、環状燃焼器２０の加速度を検出するための少なくとも１つの加速度センサー４０が設置されている。複数のセンサー４０を設置することも可能であり、これらから、結果として１つの信号を求めるか、あるいは、これらの複数の信号を本発明にしたがって別々に処理する。この単一のおよび／または複数のセンサー信号は、高速フーリエ変換によりリアルタイムで処理され、複数の離散的な周波数信号３９としてさらに処理される。これらの周波数信号を以降、処理済み信号３９と呼ぶ。

図２は、対応する時間間隔を表わすｔ＝ｔ₀時点における加速度センサー４０の処理済み信号３９を示す。同時にこのグラフには複数の境界周波数ｆ_iが示されている。ここで、ｉ＝１…ｎである。この実施例では全部で７つの境界周波数ｆ₁からｆ₇が在る。これらの境界周波数ｆ_i（ここで、ｉ＝１…ｎ）を用いて、ｎ−１個の周波数帯ｆｂ_i,i+1を定義することができる。これらの周波数帯ｆｂは境界周波数に対応する添字を有し、例えば、周波数帯ｆ₃₄は２つの境界周波数ｆ₃とｆ₄の間に在る。ここに示された実施例では、周波数帯ｆ₃₄に現れている信号部分が、ガスタービン１０の監視すべき構造部品としての環状燃焼器２０の加速度に対して最大振幅を有する。当然のことながら、この処理済み信号３９は、相互に直接に連続した複数の信号部分に完全に区分される必要はない。当然ながら、互いに離れた複数の個別の周波数帯ｆｂのみが存在し、その結果、互いに離れた複数の個別の周波数帯を監視する可能性もある。その一例として、２つの周波数帯、例えば、ｆｂ₁₂とｆｂ₃₄のみを利用することを、本発明による方法として挙げることができる。

念のために、図２のグラフに、この実施例に示されたそれぞれの周波数帯ｆｂ_i,i+1（ここで、ｉ＝１…６）に対して１つの閾値ＧＷが示されている。すなわち、複数の周波数帯ｆｂの添字に応じて、６個の閾値ＧＷ_i,i+1（ここで、ｉ＝１…６）が在る。これらの閾値ＧＷの大きさは異なっていてもよい。

好ましい方法により、合計振動期間が求められる。合計振動期間の算出に際しては、加速度センサー４０の時間的に変化する処理済み信号３９の１つの周波数帯の信号部分、または、複数の周波数帯のそれぞれの信号部分が連続的に監視される。単一周波数帯ｆｂあるいは複数の周波数帯ｆｂにおいて、当該信号部分の実際の振幅がその周波数帯に固有な閾値ＧＷよりも大きいときに限り、当該信号部分の振幅がそれに対応する周波数帯に固有な閾値ＧＷよりも大きい期間が、合計振動期間に加算される。このことはそれぞれの該当する周波数帯に適用される。

本発明は、監視している構造部品、少なくとも環状燃焼器２０、の加速度の比較的大きい振幅全てが当該部品に損傷をもたらすのではないという知見に基づいているので、加速度センサー４０の処理済み信号３９の幾つかの信号部分、すなわち、これらの周波数帯ｆｂの外部に在る信号部分は考慮対象外となる。

損傷をもたらさない周波数帯ｆｂを考慮しないことは、次のようにして達成することもできる。すなわち、その閾値ＧＷを、ガスタービン１０の運転時に物理的に決して到達しないような大きい値に定めることにより達成できる。

さらに、合計振動期間を合計振動期間閾値と比較することが行われ、その合計振動期間が合計振動期間閾値を超えた場合には、ガスタービン１０の点検、ガスタービン１０の保守、および／または、ガスタービン構造部品の交換が行われる。

要約すれば、本発明はガスタービン１０の運転を監視するための方法に関し、ガスタービン１０の運転中に構造部品の振動がその構造部品に設置された１つの加速度センサー４０によって検出され、この加速度センサー４０から伝達され、処理された信号３９から複数の周波数帯ｆｂによって複数の信号部分が求められる。あとで不必要と分かる点検を行ってガスタービン１０を不必要に停止することを避けるために、そして結果的にガスタービン１０の稼働率を向上するために、本発明は、前記信号部分の振幅が或る周波数帯固有閾値よりも大きい信号部分の振動期間を合算することによって、合計振動期間を求めることを提案する。

１０ ガスタービン
１４ ローター
１６ 吸い込みハウジング
１８ 軸流ターボ圧縮機
２０ 環状燃焼器
２２ バーナー
２８ 燃焼室
３０ タービン段
３９ 離散的な周波数信号
４０ 加速度センサー
ＧＷ 閾値

Claims (8)

1. ガスタービン（１０）の運転を監視するための方法であって、
   ガスタービン（１０）の運転中に構造部品の振動がその構造部品に設置された加速度センサー（４０）によって検出され、
   この加速度センサー（４０）から伝達された信号に基づく、加速度を表わす離散的な周波数信号（３９）が１つの周波数帯（ｆｂ）または複数の周波数帯（ｆｂ）によって１つの信号部分あるいは複数の信号部分に分割され、
   前記離散的な周波数信号が前記信号の対応する時間間隔を表わす方法において、
   これらの信号部分の時間間隔を合計するステップを含み、ここで関係する前記複数の信号部分の振幅はそれに対応する周波数帯固有の閾値（ＧＷ）よりも大きい複数の信号部分であることを特徴とするガスタービンの運転監視方法。
2. 前記時間間隔の長さで重み付けられた、対応する複数の時間間隔の合計によって、合計振動期間が求められる請求項１に記載の方法。
3. 計算ユニットが、前記振動する構造部品の複数の周波数帯（ｆｂ）の振動期間を合計する請求項１または２に記載の方法。
4. 前記合計が１つの閾値と比較され、または、前記合計振動期間が１つの合計振動期間閾値と比較され、合計振動期間閾値を超えた場合にガスタービン１０の点検、ガスタービン１０の保守、および／または、ガスタービン構造部品の交換が行われる請求項１、２または３に記載の方法。
5. 前記構造部品を加振する振動が燃焼振動であり、前記構造部品が燃焼器で構成されている請求項１から４のいずれか１つに記載の方法。
6. ガスタービン（１０）の運転を監視するための装置であって、
   振動により加振されるガスタービン（１０）の構造部品の加速度を検出するための少なくとも１つの加速度センサー（４０）と、前記振動する構造部品の振動期間を合計することによって合計振動期間を計算するための計算ユニットとを備え、前記合計が周波数に依存して行われるガスタービンの運転監視装置。
7. 請求項１から５に記載のいずれか１つによる方法を実施するのに適した請求項６に記載の装置。
8. 請求項６または７に記載の装置を備えたガスタービンであって、
   その燃焼器が請求項６に記載の装置の加振される構造部品であるガスタービン。

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