JP2017002904A

JP2017002904A - 圧縮機監視システム及び方法

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Publication number: JP2017002904A
Application number: JP2016110526A
Authority: JP
Inventors: チョンチャン・リー; Chongchan Lee; レニー・へー; He Renee
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-06-09
Filing date: 2016-06-02
Publication date: 2017-01-05
Also published as: US20160363127A1; CN106246244A; EP3103968A1

Abstract

【課題】ガスタービンに連結される圧縮機の監視を提供する。
【解決手段】ターボ機械（１０）の１つ以上の燃焼器缶（２１）からのセンサデータを受信するステップであって、受信センサデータは、サンプル期間に亘って複数の周波数信号振幅を含み、１つ以上の燃焼器缶（２１）は、ターボ機械（１０）の圧縮機（３２）の下流に配置され、圧縮機（３２）は、圧縮機段（３４）と共に、その周囲に配置される複数のブレードを備える、ステップを含む。そして、本願プロセスは、受信センサデータから、複数の圧縮機ブレードの第１ブレード通過周波数の第１高調波周波数を特定し、第１ブレード通過周波数は、圧縮機段（３４）の周囲に配置される複数のブレードの第１の数、及び圧縮機段（３４）の回転速度の少なくとも一部に基づく。本願プロセスは、特定第１高調波周波数に対応する、複数の周波数信号振幅の１つ以上が第１閾値を超えているか否かを判断する。
【選択図】図１

Description

本明細書において開示される主題は、ガスタービンに関する。具体的には、本明細書において開示される主題は、ガスタービンに連結される圧縮機の監視に関する。

ターボ機械システムは、燃料との混合及び冷却等の各種目的のために、圧縮酸化体（例えば、空気）を利用可能である。ターボ機械システムのガスタービンは、圧縮機を駆動して、ブレード又は羽根等の回転部品を介して圧縮酸化体を生成可能である。ターボ機械システムの運転中における圧縮機内の部品故障によって、ターボ機械システムのダウンタイムが起こり得る。更に、部品故障は、故障部品の交換又は修理よりも費用がかかる場合がある。また、従来の検査システムでは、ターボ機械システムをオフラインにし、圧縮機を少なくとも部分的に分解して部品を検査する場合がある。更に、従来の検査の合間に、オペレータは、圧縮機部品の状態を監視できない。

米国特許第８，７４４，８１３号明細書

出願時の特許請求の範囲と同等の幾つかの実施形態を以下で簡単に述べる。これらの実施形態は、特許請求の範囲を制限するものではなく、請求項に係る可能な態様を簡単に説明するためのものである。実際は、特許請求の範囲には、以下に述べる実施形態と同様又は異なる種々の態様を含み得る。

第１の実施形態において、本願方法は、ターボ機械の１つ以上の燃焼器からのセンサデータを受信するステップであって、受信センサデータは、サンプル期間に亘って複数の周波数信号振幅を含み、１つ以上の燃焼器は、ターボ機械の圧縮機の下流に配置され、圧縮機は、圧縮機段と共に、その周囲に配置される複数のブレードを備える、ステップを含む。そして、本願プロセスは、受信センサデータから、複数の圧縮機ブレードの第１ブレード通過周波数の第１高調波周波数を特定し、第１ブレード通過周波数は、圧縮機段の周囲に配置される複数のブレードの第１の数、及び圧縮機段の回転速度の少なくとも一部に基づく。そして、本願プロセスは、特定第１高調波周波数に対応する、複数の周波数信号振幅の１つ以上が第１閾値を超えているか否かを判断する。

第２の実施形態において、本願システムは、圧縮機の圧縮機段におけるブレードの数を取得するように構成される制御部を備えるターボ機械監視システムを備え、圧縮機は、ターボ機械において、ターボ機械の１つ以上の燃焼器缶からのセンサデータを受信し、受信センサデータは、サンプル期間に亘って複数の周波数信号振幅を含み、１つ以上の燃焼器缶は、ターボ機械の圧縮機の下流に配置され、受信センサデータから、複数のブレードの第１ブレード通過周波数の第１高調波周波数を特定し、第１ブレード通過周波数は、圧縮機段の周囲に配置される複数のブレードの数、及び圧縮機段の回転速度の少なくとも一部に基づき、特定第１高調波周波数に対応する、複数の周波数信号振幅の１つ以上が第１閾値を超えているか否かを判断する。

第３の実施形態において、非一時的なコンピュータ可読媒体は、実行可能な命令を含み、当該命令の実行時には、圧縮機の圧縮機段におけるブレードの数を処理部に取得させ、圧縮機は、ターボ機械内にある。そして、処理部は、ターボ機械の１つ以上の燃焼器缶からセンサデータを受信し、受信センサデータは、サンプル期間に亘って複数の周波数信号振幅を含み、１つ以上の燃焼器缶は、ターボ機械の圧縮機の下流に位置する。処理部は、受信センサデータから、複数のブレードの第１ブレード通過周波数の第１高調波周波数を特定し、第１ブレード通過周波数は、圧縮機段に位置する複数のブレードの数、及び圧縮機段の回転速度の少なくとも一部に基づく。そして、処理部は、特定第１高調波周波数に対応する、複数の周波数信号振幅の１つ以上が第１閾値を超えているか否かを判断する。次に、処理部は、特定第１高調波周波数に対応する、複数の周波数信号振幅の１つ以上が第１閾値を超えていると判断されたときに、異常信号を生成する。

本実施形態のこれらの特徴、態様、及び効果、並びにその他の特徴、態様、及び効果は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を解釈することによって更に良好に理解されるものであり、添付の図面において、同様の要素については同様の符号を付する。

ガスターボ機械システム及び監視システムを有するターボ機械システムの一実施形態のブロック図である。ガスターボ機械システムの燃焼器缶におけるセンサからサンプリングされた複数の燃焼ダイナミクスデータセットの一実施形態を示すグラフである。ガスターボ機械システムの第１燃焼器缶から取得された圧縮機ブレード通過周波数データの一実施形態を示すグラフである。ガスターボ機械システムの第２燃焼器缶から取得された圧縮機ブレード通過周波数データの一実施形態を示すグラフである。ガスターボ機械システムの第３燃焼器缶から取得された圧縮機ブレード通過周波数データの一実施形態を示すグラフである。ガスターボ機械システムの第４燃焼器缶から取得された圧縮機ブレード通過周波数データの一実施形態を示すグラフである。ガスターボ機械システムの圧縮機における異常を検出するプロセスの一実施形態を示すフロー図である。

本願システム及び方法の１つ以上の具体的な実施形態を以下で説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するために、実際の実施の全ての特徴が本明細書に記載されているとは限らない。任意の工学又は設計プロジェクトのような、実際のあらゆる実施の開発において、システム関係及び事業関係の制約等の、実施によって異なる開発者の具体的な目的を達成するために、実施特有の決定が多数なされる必要がある。更に、このような開発努力は、複雑で多大な時間を要するものであるが、本開示の利益を受ける当業者にとっては、設計、加工、及び製造のための日常業務である。

本願システム及び方法の各種実施形態の要素の説明時に、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」は、１つ以上の要素があることを意味するものである。用語「備える」、「含む」、及び「有する」（「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」、及び「ｈａｖｉｎｇ」）は、包含的であり、リストに挙げた要素以外に付加的な要素があり得ることを意味する。

動作中にガスターボ機械システムの圧縮機の異常を検出することによって、ダウンタイムを低減し、動作に伴う費用を低減可能である。例えば、早期に異常を特定することによって、部品故障前にオペレータが異常を監視及び／又は修理可能となる。部品故障前に圧縮機異常を知ることによって、タービンの運転中にタービンの圧縮機における部品故障によるターボ機械のその他の部品に対する多大な損傷を低減又は防止可能である。しかしながら、ターボ機械システムをオフラインにし、圧縮機を検査することは、費用がかかり、多大な時間を要する。従って、タービンをオフラインで分解することなく、タービンの運転中に圧縮機部品の状態を監視する方法があることは有益である。燃焼器領域の既存の燃焼ダイナミクスセンサを使用して、各種圧縮機段のブレード通過周波数、及びその高調波での燃焼ダイナミクスセンサデータを調べることによって、圧縮機における燃焼ダイナミクスセンサの上流の異常を得ることができる。

次に図面を参照する。図１は、ターボ機械システム１０の一実施形態のブロック図である。ターボ機械システム１０は、動作中に監視される各種部品を備えてもよい。例えば、監視システム１２は、ターボ機械システム１０に対して通信可能に連結されてもよい。監視システム１２は、以下で更に詳細に説明されるように、種々のパラメータを監視するために使用可能である。監視システム１２は、コンピュータ命令を実行する処理部１４と、データ及び処理部１４によって実行可能なコンピュータ命令を記憶するメモリ部品１６（例えば、非一時的なコンピュータ可読媒体）と、を備えてもよい。

ターボ機械システム１０は、オペレータインターフェース１３を更に備えてもよい。オペレータインターフェース１３（例えば、ＨＭＩ又は人間−機械インターフェース）は、ターボ機械システム１０がオペレータと通信し、オペレータがターボ機械システム１０と通信する方法を提供する。オペレータインターフェース１３は、表示部１５を備えてもよい。一部の実施形態において、表示部１５は、動的表示部（例えば、ＬＣＤ、プラズマ、又はブラウン管）、ＬＥＤアレイ、それらの組み合わせ、又はその他の種類の操作部１５であってもよい。オペレータインターフェース１３は、オペレータ入力部１７を更に備えてもよい。オペレータ入力部１７は、ノブ、ボタン、キーボード、又はオペレータがオペレータインターフェース１３に対して入力を行うその他の方法であってもよい。一部の実施形態において、オペレータ入力部１７は、表示部１５内に組み込まれてもよい（例えば、タッチスクリーン式表示部）。オペレータは、オペレータ入力部１７を使用して、ターボ機械システム１０を制御するか（例えば、動作ルーチンの選択、新規の動作モードの選択等）、ユーザが知覚可能な指標に応答可能である。オペレータインターフェース１３は、監視システム１２がターボ機械システム１０における異常を検出したときに、ユーザが知覚可能な指標でオペレータに警告するために使用可能である。警告を伝えるために、オペレータインターフェース１３は、大きな音の発生、表示部１５における警告メッセージの表示、閃光、振動、若しくはそれらの組み合わせ、又は、オペレータの注意を引くためのその他の方法を実行可能である。

ターボ機械システム１０は、その駆動のために液状又はガス状燃料を使用可能である。当該燃料は、任意の好適なガス状又は液状燃料であり、例えば、天然ガス、液化天然ガス（ＬＮＧ）、合成ガス、随伴石油ガス、メタン、エタン、ブタンプロパン、バイオガス、下水ガス、埋立地ガス、坑内ガス、ガソリン、ディーゼル、ナフサ、ケロシン、メタノール、生物燃料、又はそれらの任意の組み合わせであってもよい。燃料は、燃料供給部１８から燃焼器２０に送られてもよい。この燃料は、燃料供給部１８と燃焼器２０との間の１つ以上の箇所において、空気等の酸化体と混合されてもよい。酸化体−燃料混合物は、燃焼器２０の１つ以上の燃焼室２１（例えば、燃焼器缶）において燃焼することによって、熱い加圧排ガスを生成する。センサ２２は、燃焼器缶２１の上、若しくは、その内部に配置され、燃焼器缶２１の燃焼ダイナミクス等の、ターボ機械システム１０の特性を監視可能である。一部の実施形態において、ターボ機械システム１０は、シャフト３０の周囲に配置される缶を備えてもよい。各燃焼器缶２１は、排気出口２８に向かって、１つ以上の段２６を有するタービン２４内に熱い排気ガスを送り込むことが可能である。各段は、シャフト３０に取り付けられるロータ２６に対して連結されるブレードセットを備えてもよい。熱い排ガスによってタービンロータ２６の回転が起こったときに、シャフト３０は、圧縮機３２を駆動するように回転する。最終的に、ターボ機械システム１０は、排気出口２８を介して排ガスを排出する。

圧縮機２４の１つ以上の段３４において、酸化体吸気部３６からの酸化体（例えば、空気）が圧縮される。このような１つ以上の段３４は、シャフト３０に連結可能である。各段３４は、回転することによって圧力を上げ圧縮酸化体をもたらすブレードを備える。圧縮機３２内のブレードが回転すると、酸化体が酸化体供給部３８から取り込まれる。

圧縮機３２から排出された圧縮酸化体は、燃焼器２０において１つ以上の燃焼器缶２１に向かい、燃料と混合される。例えば、燃焼器２０の燃焼ノズルによって、燃焼器２０において、好適な燃焼比で圧縮酸化体に対して燃料が注入可能である。例えば、好適な燃焼とは、排出物を最低限に抑えて燃料を略完全に燃焼することであり得る。

また、シャフト３０は、負荷４０に対しても連結可能であり、負荷４０は、例えば航空機のプロペラ、若しくは、発電所の発電機等の可動又は固定負荷であり得る。負荷４０は、ターボ機械システム１０の回転出力を動力源とし得る任意の好適な装置を備えてもよい。

ターボ機械システム１０は、ガスターボ機械システム１０の動作及び性能に関するパラメータを監視するよう構成される１つ以上のセンサセットを備えてもよい。本実施形態において、センサ２２（例えば、動圧センサ）は、燃焼器缶２１の上、若しくは、その内部に配置可能である。一部の実施形態において、燃焼器缶２１毎に１つのセンサ２２があってもよい。その他の実施形態において、燃焼器缶２１毎に複数のセンサ２２があってもよい。更に別の実施形態において、燃焼器缶２１がセンサ２２よりも多くてよい（例えば、燃焼器缶２１が２つに対して１つのセンサ２２）。当該実施形態において、センサ２２は、燃焼器缶２１に対して均等に分配可能である（例えば、２つ又は４つの燃焼器缶２１置きに１つのセンサ２２）。センサ２２は、また、対象となり得る、燃焼器２０の缶２１又はエリアに集中するように分配可能である。センサ２２は、燃焼器缶２１の内側又は外側に配置可能である。センサ２２は、燃焼器缶２１の壁部の内側又は外側に連結されるか、燃焼器缶２１の壁部内にはめ込まれてもよい。センサ２２は、動圧センサ、圧力変換器、圧度計、又は燃焼器缶２１における圧力を測定可能なその他の種類のセンサであってもよい。ターボ機械システム１０の燃焼器缶２１の内側に配置される１つ以上のセンサ２２は、監視システム１２に信号を伝達し、当該信号は、燃焼器缶２１内の圧力を示す。一部の実施形態において、監視システム１２は、周期的な時間間隔（例えば、１時間に１度、１分に１度、５秒に１度等）でセンサ２２から高周波数サンプル（例えば、０．１、０．２、０．５、１．０、２．０、又は５．０秒サンプル）を得てもよい。その他の実施形態において、監視システム１２は、継続的にセンサ２２からサンプリングしてもよい。上記から分かるように、センサ２２は、圧縮機３２の動作中でターボ機械システム１０が動作する間、各燃焼器缶２１内の動圧変化を監視するために使用可能である。

ターボ機械システム１０は、その他のセンサ２３を備えてもよい。例えば、ターボ機械システム１０は、その内部の回転部の回転速度を示すパラメータ、若しくは、ターボ機械システムの監視又は制御に有用なその他のパラメータを検出するよう構成されるセンサ２３を備えてもよい。センサ２２、２３は、加速度計、圧電センサ、静電容量センサ、電磁センサ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサ、ホール効果センサ、磁歪センサ、及び／又はターボ機械システム１０を監視するために使用されるその他のセンサであってもよい。

監視システム１２は、高速フーリエ変換によって時系列波形データを周波数データに変換することによって、圧縮機の各段のブレード通過周波数（ＢＰＦ）を決定可能である。ＢＰＦは、圧縮機段３４のブレードが定位置を通過する周波数である。ＢＰＦは、圧縮機段３４におけるブレードの数を圧縮機段３４が回転する速度（単位がｒｐｍの速度）で掛けることによって算出可能である。例えば、圧縮機段３４が円筒空洞内で回転し、当該円筒空洞の周囲の一箇所（例えば、１２時の位置）にセンサが実装されているものとする。圧縮機段３４が１２個のブレードを有し、１００ｒｐｍで回転する場合に、センサから見ると、ブレードは、毎分１，２００回の速度で通過する。ブレードの数は、オペレータ又はサービス技術者によって（オペレータ入力部１７を介して）入力されるか、ネットワークを介して遠隔地から入力可能である。また、ブレードの数は、監視システム１２内のメモリ部品１６から得られるか、監視システムによって決定可能である。一部の実施形態において、ブレードの数は、ターボ機械システム１０の設定又はメンテナンス中に得られてもよい。また、ブレードの数は、ターボ機械システム１０が起動する度に得られてもよい。一部の実施形態において、圧縮機段３４の回転速度は、回転速度計等の、ターボ機械システムにおいて既に使用されている１つ以上のセンサ２３によって決定可能である。センサ２３は、ホール効果センサ、磁界センサ、又は、回転速度を示すパラメータを検出可能なその他の種類のセンサであってもよい。更に、センサ２３は、シャフト３０、圧縮機段３４、タービン段２６、又はターボ機械システムのその他のエリアから回転速度を検出可能である。その他の実施形態において、圧縮機段３４の回転速度は、動作の定常位相に対応するようにオペレータによって設定可能である。

ＢＰＦ及び各種高調波周波数（例えば、１．０、１．５、及び２．０を掛けたブレード通過周波数）でのセンサ２２の信号の振幅の相対的な増加は、圧縮機３２における異常に対応し得る。即ち、燃焼器缶２１における圧力センサ２２からの信号は、圧縮機２２における異常に対応し得る。一部の実施形態において、センサ２２は、ＢＰＦの多重高調波を含むように、広い範囲のスペクトルデータが取得可能である。

ターボ機械システム１０の一部の実施形態において、付加的なセンサ４１を備え、当該センサ４１は、例えば入口センサ４１、出口センサ４１、又はターボ機械システム１０に亘って配置可能なその他のセンサであってもよいことを理解すべきである。センサ４１は、例えば、大気温度及び大気圧等の環境条件を測定可能である。また、センサ４１は、ターボ機械システム１０の動作及び性能に関するパラメータを測定可能であり、当該パラメータは、例えば、排ガス温度、燃焼器温度、燃焼器圧、ガス温度、エンジン燃料流量、排気流量、振動、回転部品と固定部品との間の間隙、圧縮機吐出圧、排出物等（例えば、一酸化炭素、窒素酸化物、二酸化炭素、微粒子数等）のガス成分、及びタービン排気圧等である。センサ４１は、熱電対、近接センサ、渦電流センサ、超音波センサ、速度センサ、振動センサ、圧力センサ、間隙センサ、加速度計、ジャイロスコープ、化学センサ、光学センサ等を含むがこれらに限られない。また、センサ４１は、ターボ機械システム１０の各種動作段階（例えば、起動、定常状態、過渡状態、及び停止）に関するターボ機械パラメータを監視するように構成可能である。各センサ４１は、それによって監視される１つ以上のパラメータの少なくとも一部に基づいて、監視システム１２に対して電気信号を送信可能である。そして、監視システム１２は、センサ４１からの電気信号を処理し、ターボ機械システム１０のパラメータを決定可能である。

監視システム１２は、圧力測定値、ｋｅｙｐｈａｓｏｒ（登録商標）測定値（例えば、振動成分とシャフト３０上のタイミングマークとの位相関係）、相対振動（例えば、近接プローブを用いる）、軸方向位置、径方向位置、ケーシング速度、ケーシング加速度、温度、ディファレンシャル膨張度／ケース膨張度、超過速度検出、ロータホイール加速度、アクチュエータ位置（例えば、弁位置、リニアアクチュエータ位置等）、シャフト３０の偏心量、回転要素軸受活動監視（ＲＥＢＡＭ（登録商標））データ、振動測定値（例えば、軸方向振動、径方向振動等）、速度測定値、間隙測定値（例えば、回転部品と固定部品との間の距離）、流量測定値、若しくは、これらの組み合わせをもたらし得る。従って、通常動作、異常動作等の動作状態が得られる。燃焼器２０の内部、若しくは、その周囲のセンサ２２を使用して得られる圧力測定値は、従来、燃焼ダイナミクスを監視するために使用されてきた。例えば、燃焼器２０内の動圧センサ２２から得られる圧力測定値は、オペレータが燃料−酸化体混合物及び各種供給量が所望のターボ機械性能に対して設定されているか否かを判断するのに役立つ。しかしながら、本明細書において開示されるシステム及び方法の一部の実施形態において、圧縮機３２における異常を検出するために、燃焼ダイナミクスを監視するために以前に使用された圧力測定値を利用する。

一部の実施形態において、監視システム１２は、ネットワーク４２に対して接続可能である。ネットワーク４２は、有線、無線、若しくは、それらの組み合わせであってもよい。一部の実施形態において、監視システム１２は、ネットワーク４２を介して、ある設備において１つ以上のターボ機械システム１０を監視可能な設備監視システム４４に接続可能である。設備（例えば、発電所、研究所等）は、１つ以上のターボ機械システム１０を監視するために、１つ以上の設備監視システム４４を備えてもよい。監視システム１２及び／又は設備監視システム４４は、ネットワーク４２を介して遠隔監視システム４６と通信可能である。遠隔監視システム４６は、別の設備等の遠隔地から１つ以上のターボ機械システム１０を監視するために使用可能である。一部の実施形態において、遠隔監視システム４６は、ターボ機械システム１０を監視するために、ターボ機械システム１０を制御するエンティティ、ターボ機械システム１０の所有者、ターボ機械システム１０の製造者、又はサービスプロパイダによって使用可能である。

センサ２２からの電気信号の少なくとも一部に基づく測定値は、警告、警報、又はその他のユーザが知覚可能な指標をもたらすために使用可能である。例えば、警告及び／又は警報は、監視システム１２によって生成され、オペレータインターフェース１３に表示可能である。一部の実施形態において、警告は、設備監視システム４４、遠隔監視システム４６、若しくは、その両方によって生成可能である。警告及び／又は警報は、オペレータ、ターボ機械システム１０を管理するエンティティ、サービスプロパイダ等に対して向けられてもよい。警告は、表示部１５上のエラーメッセージ、大きな音、閃光、振動、触覚フィードバック、Ｅメールサービス、又はこれらの組み合わせ、若しくは、オペレータの注意を引くその他の方法を含み得る。

閾値は、オペレータ、サービス技術者、製造者、設備監視システム４４、遠隔監視システム４６、ソフトウェア更新、又はその他の方法で設定可能である。当該閾値は、生の数値であってもよく、以前に収集又は予測されたデータからの増減率に基づいてもよい。設定閾値を超える、収集データの周波数信号振幅は、圧縮機３２における異常を示し得る。一部の実施形態において、設定閾値を超える、収集データの周波数信号振幅によって、オペレータに対する警告を発することが可能である。一部の実施形態において、ターボ機械システム１０は、異常の深刻度の段階的な増加に対応する複数の閾値レベルで構成可能である。例えば、第１閾値を超える周波数信号振幅によって、オペレータに対して警告を発することが可能である。第２閾値を超える周波数信号振幅によって、設備監視システム４４又は遠隔監視システム４６に対して警告を発することが可能である。一部の実施形態において、別の閾値を超える周波数信号振幅によって、ターボ機械システム１０が自動的に停止可能である。

図２は、２０時間に亘って１時間に１度の間隔で燃焼器缶２１内のセンサ２２からサンプリングされた２０個のデータセットを示すグラフ４８である。グラフのｘ軸５０は、単位がヘルツ（Ｈｚ）の周波数を示し、ｙ軸５２は、周波数信号振幅を示す。周波数信号振幅の単位は、実施形態によって異なるが、圧力（単位がポンドスクエアインチ、バール、トル、パスカル等）、電圧、デシベル（ｄＢ）、工学単位、又は生のデータ等でもよい。ｚ軸５４は、１時間単位の時間を示す。各曲線５６は、特定の期間（本実施形態においては、約０．２秒）に亘って取得されたデータセットのスペクトル図を示す。ｘ軸にそった面５１、５３、５５は、ブレード通過周波数（ＢＰＦ）及びその高調波を示す。例えば、面５１は、ブレード通過周波数を示してもよい。面５３は、１．５高調波（ＢＰＦに１．５を掛けたもの）を示してもよい。面５５は、２．０高調波（ＢＰＦに２．０を掛けたもの）を示してもよい。ＢＰＦ及びその高調波における相対的な振幅のピークは、圧縮機の異常を示し得る。従って、図４８において、２０時間に亘って１時間毎に１つの燃焼器缶２１から得られ、結果として２０個の曲線５６をもたらすデータの１つのサンプルを示す。これは単に例示であり、サンプリングされる時間データの長さ、サンプル間の時間、及びサンプルの数は、必要に応じて異なり得ることに留意されたい。更に、幾つかの燃焼器缶２１を有するターボ機械システム１０についてのグラフ４８は、各サンプル時間に対して幾つかのスペクトル曲線を示し得ることを理解されたい。図２に示す曲線５６の多くは、同一の周波数でピーク振幅を有することに留意されたい。これは、圧縮機段の回転部品の１つの異常（例えば、くぼみ、欠け、割れ、隙間、沈着物等）を示し得る。３、４、及び５時間地点では曲線にピークがないことにも留意されたい。これは、ターボ機械システム１０を、サンプルの取得中に運転していないためである。

監視システム１２は、１つ以上のスペクトル曲線５６に対して、リアルタイムでの評価、略リアルタイムでの評価、遅延評価、又は事後評価を行うことが可能である。例えば、監視システム１２がリアルタイム又は略リアルタイムでデータを評価するように構成されている場合に、監視システム１２は、ターボ機械システムの運転中にセンサ２２からのセンサデータをそのまま評価する。リアルタイム又は略リアルタイムでの評価は、オペレータが異常発生後に出来るだけ直ぐに圧縮機３２の異常に気付きたい場合に実施可能である。異常が圧縮機３２の性能に対して悪影響を与える場合、若しくは、圧縮機３２の異常が短期間で部品故障をもたらす場合には、オペレータにとっては、リアルタイム又は略リアルタイムでの評価が好ましい。遅延評価においては、監視システム１２がセンサ２２からセンサデータを取得した後、短期間（例えば、２分〜６０分）でセンサデータを評価するように構成可能である。ターボ機械システム１０が、性能の不当な犠牲又は部品故障のリスクなしに、圧縮機３２の異常があるまま数分又は数時間運転可能である場合に、オペレータにとって、遅延評価が好ましい。また、リアルタイムでデータを評価するための処理部１４の能力が欠如している場合に、遅延評価が好ましい。事後評価において、監視システム１２、設備監視システム４４、又は遠隔監視システム４６が、センサデータが収集されてから数時間又は数日でセンサデータを評価するように構成可能である。ターボ機械システム１０が、性能の不当な犠牲又は部品故障のリスクなしに、圧縮機３２の異常があるまま長期間運転可能である場合に、オペレータにとって、事後評価が好ましい。また、リアルタイムでデータを評価するための処理部１４の能力が欠如している場合に、事後評価が好ましい。一部の実施形態において、監視システム１２は、１つの評価時間枠（例えば、リアルタイム又は略リアルタイム）を利用可能である一方、設備監視システム４４又は遠隔監視システム４６は、異なる評価時間枠（例えば、遅延評価又は事後評価）を利用可能である。

監視システムは、所定の曲線５６を他の燃焼器缶２１からの曲線５６と比較するか、以前の測定データと比較することによって、当該曲線５６を設定閾値又は範囲を考慮して評価可能である。ブレード通過周波数での振幅、若しくは、ブレード通過周波数の高調波の１つの振幅が閾値を超える場合には、センサ２２のデータは、圧縮機の異常を示し得る。考えられる圧縮機異常は、くぼみ、屈曲、遊離、割れ等である。一部の場合において、ターボ機械システム１０は、事故なく、異常があるまま数週間又は数カ月動作し続けることが可能である。その他の場合において、一部の異常は、その発生から部品の故障までが比較的短い期間であり得る。このような場合には、オペレータは、異常が特定されると直ぐにターボ機械システム１０の停止を開始したいと考える場合がある。

図３〜図６において、１３の異なるサンプルウィンドウに亘って、第１、第２、第３、及び第４燃焼器缶２１のそれぞれから取得したデータのサンプルグラフ５８、６０、６２、６４を示す。図３〜図６におけるグラフ５８、６０、６２、６４のそれぞれにおいて、あるブレード通過周波数（ＢＰＦ）の高調波比１．０、１．５、及び２．０での４つの燃焼器缶２１における１３個の測定値のそれぞれの周波数信号振幅を示す。図３〜図６のそれぞれは、ＢＰＦを示す線７０と、１．５高調波を示す線７２と、２．０高調波を示す線７４と、を有することに留意されたい（最良の例を図５に示す）。即ち、図３に示す線７０は、第１燃焼器缶２１に対する周波数信号振幅の１３個の測定ポイントに対応し、図３に示す線７２は、１．５高調波での周波数信号振幅の１３個の測定ポイントに対応し、図３に示す線７４は、２．０高調波での周波数信号振幅の１３個の測定ポイントに対応する。同様に、図４、図５、及び図６の線７０、７２、７４は、それぞれ、第２、第３、及び第４燃焼器缶２１に対するＢＰＦの高調波の１３個の測定ポイントに対応する。更に、図３〜６のライン７０、７２、７４の測定ポイントは、曲線５６と図２の断面５１、５３、５５との交差点と同様であり、当該断面５１、５３、５５は、ＢＰＦの高調波（例えば、１．０、１．５、２．０）に対応する。

例えば、圧縮機段３４が３６個のブレードを有し、１，０００ｒｐｍで回転する場合に、ブレードは、毎分３６，０００回で定位置を通過する。Ｈｚ（サイクル毎秒）に変換すると、ブレード通過周波数は、６００Ｈｚである。ＢＰＦを１．５で掛けると、１．５高調波周波数は、９００Ｈｚである。ＢＰＦを２．０で掛けると、２．０高調波は、１，２００Ｈｚである。そして、燃焼器缶２１におけるセンサ２２からデータが取得される。当該データのスペクトル図４８を図２に示す。そして、対象となるＢＰＦ及び高調波周波数における断面がスペクトル図４８から得られる。本実施例において、図２の面５１は、ＢＰＦ６００Ｈｚに位置する。図２の面５３は、１．５高調波周波数９００Ｈｚに位置する。面５５は、２．０高調波周波数１，２００Ｈｚに位置する。３つの周波数５１、５３、５５に対する周波数信号振幅は、１つのグラフに統合され、図３〜図６のようなものとなる。例えば、ある線（例えば、線７０）は、１３個の測定値に亘る、１つの燃焼器缶２１におけるＢＰＦ（６００Ｈｚ）での周波数振幅を示す。第２の線（例えば、線７２）は、同一の１３個の測定値に亘る、同一の燃焼器缶２１における１．５高調波周波数（９００Ｈｚ）での周波数振幅を示す。第３の線（例えば、線７４）は、同一の１３個の測定値に亘る、同一の燃焼器缶２１における２．０高調波周波数（１，２００Ｈｚ）での周波数振幅を示す。

１つ以上の閾値５９、６１（図３〜図６に示す）が設定可能である。これらの閾値５９、６１は、起動の直前にオペレータによって設定可能である。一部の実施形態において、これらの１つ以上の閾値は、起動の数日、数週間、数カ月、又は数年前に、オペレータ、サービス技術者、ソフトウェア更新、製造者、又はその他の方法で設定可能である。周波数信号振幅が閾値を超える場合には、それは圧縮機の異常によるものであり得る。上述の１つ以上の閾値５９、６１は、特定された圧縮機異常の異なる深刻度に対して異なるレベルを有する。例えば、第１閾値５９は、比較的小さい異常を示し、警告、警報、又はユーザが知覚可能な指標をオペレータに対してもたらすことができる。さもなければ、ターボ機械システム１０の運転が継続される。一部の実施形態において、第２トリガ６１は、更に深刻な異常を示し得る。例えば、周波数信号振幅が第２閾値６１を超える場合には、継続運転によって部品故障が起こる危険性がある更に深刻な圧縮機異常を示し得る。一部の実施形態において、監視システム１２は、周波数信号振幅が第２閾値６１（又はそれ以上のレベル）を超える場合に、ターボ機械システム１０の自動停止を始めるように構成可能である。更に、第２閾値６１（又はそれ以上のレベル）を超える場合に、警告、警報、又はユーザが知覚可能なその他の指標が、設備監視システム４４又は遠隔監視システム４６に対して送られてもよい。

しかしながら図３〜図６及び上述の説明は、例示であり、開示される実施形態を限定するものではないことを理解すべきである。本願システムのその他の実施形態は、例えば、更に多くの高調波周波数、更に少ない高調波周波数、又は異なる高調波周波数を評価可能であり、異なる回転速度で回転可能であり、更に多くのブレード又は更に少ないブレードを有することが可能である。例えば図５において、第１、第２、及び第１３のデータセットにおける振幅のピークは、第１閾値５９を超えており、圧縮機における異常を示し得ることに留意されたい。

図７は、燃焼器２０におけるセンサ２２からのデータを使用した圧縮機３２の異常を検出するプロセス７６を示すフロー図である。プロセス７６のブロックは、メモリ１６に記憶され、監視システム１２の処理部１４によって実行可能なコンピュータ命令又はコードとして実施可能である。ブロック７８において、監視システム１２は、警告及び／又は警報のためにセンサデータ振幅の１つ以上の閾値を設定する。これらの１つ以上の閾値は、オペレータインターフェースを介したユーザ又はタービンオペレータによる設定、ネットワーク４２を介した設備監視システム４４又は遠隔監視システム４６からの取得、メモリ１６における記憶、若しくは、処理部１４による算出によって得ることができる。例えば、閾値は、運転前の時点で、オペレータ、サービス技術者、製造時、ソフトウェア更新、設備監視システム４４、又は遠隔監視システムによって監視システム１２に入力され、メモリ１６に記憶され、必要に応じて更新可能である。その他の実施形態において、閾値は、ターボ機械１０が起動する度に入力可能である。

閾値は、以前のセンサデータセット、他の燃焼器缶２１からサンプリングされたデータ、又はその他の測定基準に対する増減率を特定することによって、直接的（例えば、特定の圧力値）又は間接的に設定可能である。例えば、閾値としての生の周波数信号振幅よりは、所定の高調波周波数での周波数信号振幅の割合増加（例えば、７０％増加）によって警告をもたらし得る。同様に、監視システム１２は、幾つかの測定値に亘って周波数信号振幅の増減率を追跡するように構成可能である。例えば、監視システム１２は、３つ以上のデータセットに亘って変化率を追跡し、所定の周波数での周波数信号振幅が閾値をいつ超えるかを予測可能である。

その他の実施形態において、部品故障までの時間を予測するために、同様の技術が使用可能である。一部の実施形態において、メモリ１６に記憶される閾値よりは、閾値を算出するための命令がメモリ１６に記憶可能である。例えば、プログラムがメモリ１６に記憶可能であり、当該プログラムの実行時には、ターボ機械システム１０内に配置されるセンサ２２、２３、４１からの測定値に基づいて閾値を決定する。一部の実施形態において、２つのレベルの閾値があり、１つは、警告を出すためのものであり、もう１つは、エンジンシステム１０の停止を行うためのものである。このような実施形態において、周波数信号振幅が第１閾値を超える場合には、オペレータに対して警告がなされ、オペレータは、どのように進めるか（例えば、エンジンの停止、計画された動作の継続、安全モードでのターボ機械システム１０の運転、短縮動作の実行等）を決定可能である。第２閾値は、異常によって動作中に部品故障が起こる危険性が高いことを示す。第２閾値を超えた場合には、タービンへの損傷を防ぐために、監視システム１２は、ターボ機械システム１０の自動停止、監督監視システム（例えば、設備監視システム４４又は遠隔監視システム４６）への警告、若しくはその両方を行うように構成可能である。

ブロック８０において、監視システム１２は、１つ以上の燃焼器缶２１におけるセンサ２２からセンサデータを受信する。センサデータは、１つ以上の周波数信号振幅を含み得る。各周波数信号振幅は、サンプル期間に亘って周波数範囲に対応する。サンプルウィンドウは、スペクトルデータが取得可能な任意の時間であってもよい。例えば、サンプル期間は、０．１、０．２、０．５、０．８、１．０、１．５、又は２．０秒、若しくは、その他の期間であってもよい。一部の実施形態において、データは、継続的にサンプリング可能である。その他の実施形態において、サンプルは、所定の間隔で得られ、当該間隔は、例えば、１日に１度、１時間に１度、３０分毎、５分毎、１分に１度等である。

ブロック８２において、監視システム１２は、圧縮機における対象となる１つ以上の圧縮機段３４のブレード通過周波数（ＢＰＦ）を特定する。ブレード通過周波数は、圧縮機段３４のブレードの数に、圧縮機段３４が回転する回転速度を掛けたものである。ブレード通過周波数が圧縮機段３４の回転速度によって異なるならば、本願プロセスにおいて、圧縮機段３４の速度が変化した場合にブレード通過周波数を再算出可能である。ブレード通過周波数は、センサ２２のデータに基づいて算出されるか、ユーザ又はオペレータによって入力されるか、その他の方法で得ることができる。一部の実施形態において、オペレータは、ブレードの数を入力し、回転速度は、センサ２３の測定値に基づいて決定可能である。これらの値から、処理部１４は、ＢＰＦを決定可能である。ブロック８２において、監視システム１２は、また、メモリ１６に記憶されるか、ユーザ又はオペレータから受信されるか、その他の方法で得られる比率に基づいて、対象となる各種高調波周波数を算出可能である。例えば、オペレータは、ブレード通過周波数の特定の高調波比（例えば、１．０、１．５、２．０）を対象とし得る。高調波周波数は、高調波比をブレード通過周波数で掛けることによって決定可能である。監視システム１２は、任意の数のＢＰＦ比での周波数信号振幅を分析するように構成可能である。例えば、監視システム１２は、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、又はそれ以上のＢＰＦ比での周波数信号振幅を評価するように構成可能である。一部の実施形態において、高調波比は、センサ２２の周波数スペクトルによって制限されてもよい。対象となる高調波比は、ターボ機械システム１０の起動直前にオペレータによって入力されるか、ターボ機械システム１０の起動のずいぶん前に入力されメモリ１６に記憶されてもよい。一部の実施形態において、サービス技術者、製造者、若しくは、ネットワーク４２を介して設備監視システム４４又は遠隔監視システム４６によって比率を入力可能である。

ブロック８４において、監視システム１２は、高調波周波数でのセンサデータからの周波数信号振幅の１つ以上が所定の閾値（単複問わず）を超えているか否かを判断する。ノード８６において、周波数信号振幅が第１閾値を超えていない場合には、監視システムは、ブロック８０に戻り、更に多くのデータを受信する。ノード８６において、周波数信号振幅が第１閾値を超えていると監視システムが判断した場合には、監視システムは、ブロック８８に進み、ユーザに警告する。ユーザは、多数の異なる方法で警告され、例えば、プロプライエタリエラーコードによる警告、表示、音、又は音声通知による警告、表示部上の警告、メールによる警告等を含む。一部の実施形態において、監視システムは、メンテナンスの間隔をスケジューリングすることによって、ユーザに警告可能である。更に、メンテナンスの間隔がスケジューリングされている場合に、監視システムは、メンテナンスの間隔よりも早い時間をスケジューリングし異常（例えば、第１閾値を超えるサンプルデータ）に対処することによって、ユーザに警告可能である。

ノード９０において、周波数信号振幅が第２閾値を超えていない場合には、監視システム１２は、ブロック８０に戻り、更に多くのデータをサンプリングする。周波数信号振幅が第２閾値を超えている場合には、監視システム１２は、ブロック９２に進み、エンジンの自動停止プロセスを開始する。エンジンが停止すると、オペレータ又はサービス技術者は、圧縮機を点検し、なぜ第２閾値を超えたのかを調査可能である。一部の実施形態において、ターボ機械システム１０の停止又はその他の動作を誘発する第２のレベルの閾値を有さなくてもよいことを理解すべきである。一部の実施形態において、閾値を１つのみ有し、当該閾値を超えた場合にオペレータに警告してもよい。

開示技術の技術的効果によれば、ターボ機械の動作中に圧縮機部品状態を監視する方法を提供することによって、オフライン時間を低減可能であり、ターボ機械システムの運転費用を低減可能である。また、本明細書において記述される技術によって、オペレータが点検の合間に圧縮機部品状態を監視可能である。更に、開示技術において、燃焼ダイナミクスを監視するために既に使用され得る下流側センサを利用可能であるため、開示技術は、更なるセンサの追加なしに実施可能であり、既に所定の位置にあるセンサの機能性が上がる。また、開示技術によって、スケジューリングされたメンテナンス期間の間の間隔が大きくなり、動作中の部品故障の可能性を低減可能である。一部の実施形態において、あるデータをその他のセンサデータと統合することによって、故障傾向の特定、若しくは、サービス間隔に関する決定の通知等を行ってもよい。

最良の態様と共に本願システム及び方法の実施形態を開示するために、いくつかの例が上記で説明されており、任意の装置又はシステムの作製及び使用、並びに取り入れる任意の方法の実行を含む実施形態の実施が当業者によって可能である。本願システム及び方法の特許請求の範囲は、請求項によって規定され、その他の例が含まれることは当業者にとって明白である。このようなその他の例は、請求項における言い回しと異ならない構成要素を含む場合、若しくは、請求項における言い回しとは僅かに異なるが同等の構成要素を含む場合に、特許請求の範囲に含まれるものである。

１０ターボ機械システム
１２監視システム
１３オペレータインターフェース
１４処理部
１５表示部
１６メモリ
１７オペレータ入力部
１８燃料供給部
２０燃焼器
２１燃焼器缶
２２センサ（圧力）
２３センサ（回転速度計）
２４タービン
２６タービン段
２８排気
３０シャフト
３２圧縮機
３４圧縮機段
３６吸気
３８酸化体供給部
４０負荷
４１センサ（その他）
４２ネットワーク
４４設備監視システム
４６遠隔監視システム
４８グラフ
５０Ｘ軸
５１ブレード通過周波数
５２Ｙ軸
５３１．５高調波
５４Ｚ軸
５５２．０高調波
５６曲線
５８グラフ
５９第１閾値
６０グラフ
６１第２閾値
６２グラフ
６４グラフ
６６Ｘ軸
６８Ｙ軸
７０第１高調波曲線
７２１．５高調波曲線
７４第２高調波曲線
７６プロセス
７８ステップ
８０ステップ
８２ステップ
８４ステップ
８６ステップ
８８ステップ
９０ステップ
９２ステップ

Claims

ターボ機械（１０）の１つ以上の燃焼器缶（２１）からのセンサデータを受信するステップであって、前記受信センサデータは、サンプル期間に亘って複数の周波数信号振幅を含み、前記１つ以上の燃焼器缶（２１）は、前記ターボ機械（１０）の圧縮機（３２）の下流に配置され、前記圧縮機（３２）は、圧縮機段（３４）と共に、その周囲に配置される複数の第１ブレードを備える、ステップと、
前記受信センサデータから、前記複数の第１ブレードの第１ブレード通過周波数の第１高調波周波数を特定するステップであって、前記第１ブレード通過周波数は、前記圧縮機段（３４）の周囲に配置される前記複数の第１ブレードの第１の数、及び前記圧縮機段（３４）の回転速度の少なくとも一部に基づく、ステップと、
前記特定第１高調波周波数に対応する、前記複数の周波数信号振幅の１つ以上が第１閾値を超えているか否かを判断する、ステップと、を含む方法。
前記特定第１高調波周波数に対応する、前記複数の周波数信号振幅の１つ以上が前記第１閾値を超えていると判断された場合に、前記圧縮機（３２）における異常のユーザが知覚可能な指標を提供するステップを更に含む、請求項１記載の方法。
前記ユーザが知覚可能な指標は、サービスプロパイダに対して提供される、請求項２記載の方法。
前記ユーザが知覚可能な指標に基づいて、前記ターボ機械（１０）に対してメンテナンス期間をスケジューリングするステップを更に含む、請求項２記載の方法。
前記第１高調波周波数は、１．０、１．５、及び２．０を含む前記第１ブレード通過周波数の比率である、請求項１記載の方法。
前記ターボ機械（１０）は、ガスタービンである、請求項１記載の方法。
前記センサデータは、前記１つ以上の燃焼器缶（２１）に連結される１つ以上の動圧センサ（２２）から受信され、前記燃焼器缶（２１）のそれぞれは、前記動圧センサ（２２）を１つ以上備える、請求項１記載の方法。
前記第１閾値は、前記第１ブレード通過周波数に対応する周波数信号振幅の履歴の少なくとも一部に基づく、請求項１記載の方法。
前記受信センサデータから、前記圧縮機（３２）の第２ブレード通過周波数の第２高調波周波数を特定するステップであって、前記第２ブレード通過周波数は、前記圧縮機段（３４）の周囲に配置される複数の第２ブレードの第２の数、及び前記圧縮機段（３４）の回転速度の少なくとも一部に基づく、ステップと、
前記特定第２高調波周波数の１つ以上が第２閾値を超えているか否かを判断するステップと、を更に含む、請求項１記載の方法。
ターボ機械監視システム（１２）を備えるシステムにおいて、
前記ターボ機械監視システム（１２）は、制御部（１２）を備え、前記制御部（１２）は、
ターボ機械（１０）に配置される圧縮機（３２）の圧縮機段（３４）の周囲に配置される複数のブレードの数を取得し、
前記ターボ機械（１０）の１つ以上の燃焼器缶（２１）からのセンサデータを受信し、前記受信センサデータは、サンプル期間に亘って複数の周波数信号振幅を含み、前記１つ以上の燃焼器缶（２１）は、前記ターボ機械（１０）の圧縮機（３２）の下流に配置され、
前記受信センサデータから、前記複数のブレードの第１ブレード通過周波数の第１高調波周波数を特定し、前記第１ブレード通過周波数は、前記圧縮機段（３４）の周囲に配置される前記複数のブレードの数、及び前記圧縮機段（３４）の回転速度の少なくとも一部に基づき、
前記特定第１高調波周波数に対応する、前記複数の周波数信号振幅の１つ以上が第１閾値を超えているか否かを判断する
ように構成される、システム。
前記制御部（１２）に連結されるフィードバックシステムを更に備え、
前記フィードバックシステムは、前記特定第１高調波周波数に対応する、前記複数の周波数信号振幅の１つ以上が前記第１閾値を超えていると前記制御部（１２）によって判断されたときに、前記圧縮機（３２）における異常のユーザが知覚可能な指標を提供するように構成される、請求項１０記載のシステム。
前記制御部（１２）は、前記特定第１高調波周波数に対応する、前記複数の周波数信号振幅の１つ以上が前記第１閾値を超えていると判断されたときに、ユーザが知覚可能な指標をサービスプロパイダに対して送信するように構成される、請求項１０記載のシステム。
前記制御部（１２）は、前記１つ以上の燃焼器缶（２１）の燃焼ダイナミクスを決定するように構成される、請求項１０記載のシステム。
前記ターボ機械（１０）を備える、請求項１０記載のシステム。
前記制御部（１２）は、前記ターボ機械（１０）からの周波数信号振幅の履歴に基づいて閾値を決定するように更に構成される、請求項１０記載のシステム。