JP2019174094A - 計測データ解析装置、及び計測データ解析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンにおけるバーナ間又は燃焼室間の少なくとも何れか一方での燃焼振動の位相同期の多寡を詳細に判定する計測データ解析装置及び計測データ解析方法を提供する。【解決手段】バーナ及び燃焼ガス通流部において、物理指標検出部Ｓにて検出される少なくとも２以上の物理指標の時系列データを、ヒルベルト変換して物理指標の位相を算出する位相算出部Ｃ１と、位相算出部Ｃ１にて算出された位相から位相の瞬時的な同期度合を算出する同期度合算出部Ｃ２と、同期度合算出部Ｃ２にて算出された同期度合の経時変化に基づいてバーナ間又は燃焼室間の少なくとも何れか一方での燃焼振動の位相同期の多寡を判定する判定部Ｃ３とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料と燃焼用空気とを燃焼させるバーナを複数有する燃焼室を複数備える燃焼器を備えるガスタービンにおける前記バーナ間又は前記燃焼室間の少なくとも何れか一方での燃焼振動の位相同期の多寡を判定する計測データ解析装置、及び計測データ解析方法に関する。

従来、特許文献１に示すように、ガスタービンでは、燃焼室に設けられるバーナの夫々、及び複数のバーナから排出される燃焼ガスを通流する燃焼ガス通流部において、燃焼振動が発生し得ることが知られている。燃焼振動は、故障の原因と成り得るため、そのバーナ間又は燃焼室間の少なくとも何れか一方での燃焼振動の位相同期の多寡を判定する技術が望まれている。

特開２０１７−０４８９７８号公報

ガスタービンにおいて、上記燃焼振動を積極的に抑制するためには、例えば、バーナや燃焼ガス通流部において、振動を検知して確認する手法が考えられる。しかしながら、バーナ及び燃焼ガス通流部における振動を確認するのみでは、当該振動が、バーナ及び燃焼ガス通流部の間で打ち消し合っている状態なのか、振動の位相が同期し振動振幅が増幅している状態なのかまでは知り得ることができなかった。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガスタービンにおけるバーナ間又は燃焼室間の少なくとも何れか一方での燃焼振動の位相同期の多寡を詳細に判定する計測データ解析装置、及び計測データ解析方法を提供する点にある。

上記目的を達成するための計測データ解析装置は、
燃料と燃焼用空気とを燃焼させるバーナを複数有する燃焼室を複数備える燃焼器を備えるガスタービンにおける前記バーナ間又は前記燃焼室間の少なくとも何れか一方での燃焼振動の位相同期の多寡を判定する計測データ解析装置であって、その特徴構成は、
前記燃焼室は、燃焼ガスを通流する燃焼ガス通流部を有し、
前記バーナ及び前記燃焼ガス通流部の少なくとも何れか一方における前記燃焼振動に伴う物理指標を検出する物理指標検出部と、
前記バーナ及び前記燃焼ガス通流部において、前記物理指標検出部にて検出される少なくとも２以上の前記燃焼振動の時系列データを、ヒルベルト変換して前記燃焼振動の位相を算出する位相算出部と、
前記位相算出部にて算出された位相を〔数１〕に入力して、位相の瞬時的な同期度合ｍを算出する同期度合算出部と、
前記同期度合算出部にて算出された前記同期度合ｍの経時変化に基づいて前記バーナ間又は前記燃焼室間の少なくとも何れか一方での前記燃焼振動の位相同期の多寡を判定する判定部とを備える点にある。

ただし、Ｎは前記物理指標検出部にて検出される値の数（バーナ又は燃焼室の数）、θは位相、ｉは虚数単位とする。

上記目的を達成するための計測データ解析方法は、
燃料と燃焼用空気とを燃焼させるバーナを複数有する燃焼室を複数備える燃焼器を備えるガスタービンにおける前記バーナ間又は前記燃焼室間の少なくとも何れか一方での燃焼振動の位相同期の多寡を判定する計測データ解析方法であって、その特徴構成は、
前記燃焼室は、燃焼ガス通流部を有するものであり、
前記バーナ及び前記燃焼ガス通流部の少なくとも何れか一方における前記燃焼振動に伴う物理指標を検出する物理指標検出工程と、
前記バーナ及び前記燃焼ガス通流部において、前記物理指標検出工程にて検出される少なくとも２以上の前記物理指標の時系列データを、ヒルベルト変換して前記物理指標の位相を算出する位相算出工程と、
前記位相算出工程にて算出された位相を〔数１〕に入力して、位相の瞬時的な同期度合ｍを算出する同期度合算出工程と、
前記同期度合算出工程にて算出された前記同期度合ｍの経時変化に基づいて前記バーナ間又は前記燃焼室間の少なくとも何れか一方での前記燃焼振動の位相同期の多寡を判定する判定工程とを備える点にある。

ただし、Ｎは前記物理指標検出工程にて検出される値の数（バーナ又は燃焼室の数）、θは位相、ｉは虚数単位とする。

発明者らは、例えば、ガスタービンの一の部位にて計測された圧力の時系列データのみでは、燃焼振動（特に、圧力変動振幅が急増して発振する現象）のなかでも、バーナ及び燃焼ガス通流部の変動位相が同期する場合と、しない場合で、振動振幅が増幅するリスクに差があるが、これを見極めることができていなかったという課題に着目し、上記〔数１〕の導入を試みた。
即ち、上記特徴構成によれば、燃焼室に対して複数設けられたバーナ、又は複数の燃焼室の燃焼ガス通流部のうち、バーナ及び燃焼ガス通流部の少なくとも２以上から、物理指標検出部が圧力値等の物理指標の時系列データを検出し、その位相を〔数１〕に入力して、位相の瞬時的な同期度合ｍを算出し、算出された同期度合ｍの経時変化に基づいて、バーナ間又は燃焼室間の少なくとも何れか一方での燃焼振動の位相同期の程度の多寡を細分化する。
当該同期度合ｍは、異なる箇所の振動の位相の同期度合ｍが高い場合、即ち、図３（ａ）の複素数平面に示すように位相が略揃っている状態の場合、大きい値を示し、異なる箇所の振動の位相の同期度合ｍが低い場合、即ち、図３（ｂ）の複素数平面に示すように位相が異なって分散している場合、小さい値を示すものである。
そして、発明者らは、上記特徴構成によれば、異なる箇所での振動の同期度合ｍを燃焼振動の判定の指標として判定するから、特に、燃焼振動が急増して発振する現象と相性の良い指標に基づく判定ができ、単一の箇所で計測された単一の圧力データに基づく種々の解析に比べ、バーナ間又は燃焼室間の少なくとも何れか一方での燃焼振動の位相同期の程度の多寡を細分化できるという知見を得た。これにより、故障リスクを鑑みて、ガスタービンの点検や再調整の要否を検討することができる。
以上より、ガスタービンのバーナ間又は燃焼室間の少なくとも何れか一方での燃焼振動の位相同期の多寡を細分化することができる計測データ解析装置及び計測データ解析方法を実現できる。

計測データ解析装置の更なる特徴構成は、
前記判定部は、
前記同期度合が０以上１以下で予め設定される燃焼振動判定閾値以上である場合、前記バーナ間又は前記燃焼室間の少なくとも何れか一方での燃焼振動の位相同期が進展している確度が高いと検知し、
前記同期度合が前記燃焼振動判定閾値未満となった場合、前記バーナ間又は前記燃焼室間の少なくとも何れか一方での燃焼振動の位相同期が進展している確度が低いと検知する点にある。

本発明の発明者らは、同期度合が０以上１以下で予め設定される燃焼振動判定閾値以上である場合、バーナ間又は燃焼室間の少なくとも何れか一方での燃焼振動の位相同期が進展している確度が高いと判定し、同期度合が燃焼振動判定閾値未満となった場合、バーナ間又は燃焼室間の少なくとも何れか一方での燃焼振動の位相同期が進展している確度が低いと判定することができることを、新たに見出した。
更に、発明者らは、このように判定することで、例えば、ガスタービンの単一の箇所の圧力データに基づいて燃焼振動の判定をすることでは得られなかった、燃焼振動の共鳴の進展度合までをも知り得ることができ、当該進展度合に応じてリスク管理を行うことができる。
これにより、例えば、バーナ間又は燃焼室間の少なくとも何れか一方での燃焼振動の位相同期が進展している確度が高いと判定した場合、その故障リスクを鑑みて、ガスタービンの点検や再調整の要否を検討することができる。

計測データ解析装置としては、
前記燃焼振動検出部を、前記バーナ又は前記燃焼ガス通流部の少なくとも一方での燃焼ガスの前記燃焼振動に伴う圧力変動を検出する圧力センサ、前記バーナ又は前記燃焼ガス通流部の少なくとも一方での燃焼ガスの燃焼火炎の前記燃焼振動に伴う発光強度の変動を検出する光学センサ、前記バーナを形成するバーナ筒又は前記燃焼ガス通流部を形成するケーシングの少なくとも一方での前記燃焼振動に伴う振動を検出する振動センサの何れか１つから構成することが好ましい。

本発明の計測データ解析装置が備えられるガスタービンの概略構成図 燃焼室の長手方向視であって、燃焼ガスの流れ方向で下流側からの側面図 同期度合ｍを説明するためのグラフ図 試験結果を示すグラフ図

本発明の実施形態に係る計測データ解析装置１００及び計測データ解析方法は、ガスタービン６０における燃焼室５０間での燃焼振動の位相同期の多寡を詳細に判定するものに関する。以下、図１〜４に基づいて本発明に係る計測データ解析装置１００、及び計測データ解析方法について説明する。

計測データ解析装置１００は、図１、２に示すように、燃料Ｆと燃焼用空気Ａとの予混合気を燃焼させるバーナ２を複数有する燃焼室５０を複数備える燃焼器（符号を図示せず）を備えるガスタービン６０の燃焼室５０間での燃焼振動の位相同期の多寡を判定するものである。
ガスタービン６０は、図１に示すように、燃焼用空気Ａを圧縮する圧縮機５２と、燃料Ｆ（例えば、天然ガス）と圧縮機５２から供給される圧縮空気Ａとを混合して燃焼させる燃焼室５０と、複数の燃焼室５０から排出された燃焼ガスＥを駆動源として回転駆動するタービン５３とが設けられ、圧縮機５２とタービン５３とが駆動軸５４にて連結される。

燃焼室５０は、ガスタービンとして一般的に用いられる構成であり、図２に示す燃焼ガスＥの流れ方向で下流側からの長手方向視において、円筒形状のケーシング６の内部に、バーナ２の複数（図３では６つ）を、タービン５３のタービン翼（図示せず）の回転方向に沿って等間隔で併設して備えると共に、複数のバーナ２に外囲される状態で備えられている。更に、ケーシング６の内部には、長手方向において、バーナ２の下流側でバーナ２から排出された燃焼ガスＥを通流する燃焼ガス通流部５５（燃焼室５０の内部で燃焼ガスが通流する箇所）が設けられている。

当該ガスタービン６０にあっては、燃焼室５０に設けられるバーナ２の夫々において、燃焼振動が発生し得ることが知られている。燃焼振動は、故障の原因と成り得るため、その燃焼室５０間での燃焼振動の位相同期の多寡を判定する技術が望まれている。
当該実施形態に係る計測データ解析装置１００では、複数のバーナ２（当該実施形態にあっては、すべてのバーナ２）における燃焼振動に伴う燃焼ガスＥの圧力変動（物理指標の一例）を検出する圧力センサＳ（物理指標検出部の一例）を備えている。

更に、当該ガスタービン６０の制御装置Ｃは、複数のバーナ２の少なくとも２以上（当該実施形態では６つすべて）から圧力センサＳにて検出される圧力変動の時系列データを、ヒルベルト変換して圧力変動の位相を算出する位相算出部Ｃ１と、位相算出部Ｃ１にて算出された位相を以下に示す〔数１〕に入力して、位相の瞬時的な同期度合ｍを算出する同期度合算出部Ｃ２と、当該同期度合算出部Ｃ２にて算出された同期度合ｍの経時変化に基づいて、燃焼室５０間での燃焼振動の位相同期の多寡を判定する判定部Ｃ３とを備えている。

ただし、Ｎは圧力センサＳにて検出される値の数（燃焼室の数）、θは位相、ｉは虚数単位とする。

即ち、制御装置Ｃは、燃焼振動（特に、燃焼振動が急増して発振する現象）を検知するべく、複数のバーナ２における燃焼振動に伴う燃焼ガスＥの圧力変動（物理指標の一例）を検出する物理指標検出工程と、複数のバーナ２の少なくとも２以上（当該実施形態では６つすべて）から圧力センサＳにて検出される圧力変動の時系列データを、ヒルベルト変換して圧力変動の位相を算出する位相算出工程と、位相算出工程にて算出された位相を上記〔式１〕に入力して、位相の瞬時的な同期度合ｍを算出する同期度合算出工程と、当該同期度合算出工程にて算出された同期度合ｍの経時変化に基づいて、燃焼室５０間での燃焼振動の位相同期の多寡を判定する判定工程とを、記載の順に実行する。
制御装置Ｃでは、上記の物理指標検出工程と位相算出工程と同期度合算出工程と判定工程とを経時的に連続して、繰り返し実行する。

同期度合ｍは、異なる箇所の振動の位相の同期度合ｍが高い場合、即ち、図３（ａ）の複素数平面に示すように位相が略揃っている状態の場合、大きい値を示し、異なる箇所の振動の位相の同期度合ｍが低い場合、即ち、図３（ｂ）の複素数平面に示すように位相が異なって分散している場合、小さい値を示すものである。

本発明の発明者らは、当該同期度合ｍが運転状態の推移と共に急減した場合には、各バーナでの燃焼振動が発生した状態にあっても、経過と共に、燃焼室５０間での燃焼振動の位相同期が収まるという知見を得た。
そこで、当該実施形態にあっては、判定部Ｃ３は、同期度合ｍが０以上１以下で予め設定される燃焼振動判定閾値（例えば、図４では、０．７以上１以下程度の値）以上である場合、燃焼室５０間での燃焼振動の位相同期が進展している確度が高いと判定し、同期度合ｍが燃焼振動判定閾値未満となった場合、燃焼室５０間での燃焼振動の位相同期が進展している確度が低いと判定する。

制御装置Ｃは、判定部Ｃ３にて「燃焼室５０間での燃焼振動の位相同期が進展している確度が高い」と検知されると、例えば、故障リスクを鑑みて、ガスタービンの点検や再調整の要否を検討する。

〔試験結果〕
以下、図４に示す、ガスタービン６０を用いて取得した実データに基づいて、本発明の効果について説明する。
当該試験は、これまで説明してきたガスタービン６０において、図４（ａ）に示すように、総燃料流量を増加させ出力を徐々に増加させたものである。図４（ｂ）は、ある特定の一の圧力値の二乗平均平方根値の経時変化を示し、及び図４（ｃ）は、複数のバーナ２における圧力値に基づいて算出された同期度合ｍの経時変化を示している。
図示するように、ある特定の圧力値の二乗平均平方根Ｐｒｍｓの経時変化に着目すると、ｔ２まで（特に、ｔ１からｔ２まで）は、圧力値の二乗平均平方根Ｐｒｍｓが比較的高い値が継続しており、当該値のみからは、ｔ２までにおいて、燃焼室間での燃焼振動の位相同期が進展していく状態なのか、燃焼室５０間での燃焼振動の位相同期が収束していく状態なのかの判断が行い難いことがわかる。
これに対し、図４（ｃ）の同期度合ｍは、ｔ１までは１近傍で燃焼振動判定閾値（例えば、０．７以上１以下程度の値）以上の値を示しており、ｔ１以降は、燃焼振動判定閾値未満の値を示していることから、ｔ１までは、燃焼室５０間での燃焼振動の位相同期が進展している確度が高く、ｔ１以降は、燃焼室５０間での燃焼振動の位相同期が進展している確度は低いと判断できる。

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態にあっては、計測データ解析装置１００及び計測データ解析方法として、希薄予混合燃焼方式のガスタービン６０に適用される構成例として説明したが、比較的燃焼振動が発生し難い拡散燃焼方式のガスタービン６０に対して適用することも可能である。

（２）上記実施形態にあっては、すべてのバーナ２に対し、物理指標検出部としての圧力センサＳを備えて物理指標としての圧力を検出し、それらすべての値を用いて同期度合ｍを算出する構成例を示した。
しかしながら、物理指標検出部としての圧力センサＳは、少なくとも２以上のバーナ２の圧力を検出するよう配置されると共に、同期度合ｍは、少なくとも２以上のバーナ２の圧力から算出されるものであっても構わない。
また、圧力センサＳは、バーナ２のみならず、燃焼室５０の燃焼ガス通流部５５の圧力をも検出するように配設され、当該圧力から同期度合ｍを算出するように構成しても構わない。また、同期度合ｍは、燃焼室５０の燃焼ガス通流部５５の圧力のみから算出しても構わない。

（３）これまで説明してきた実施形態（別実施形態を含む）では、物理指標検出部は、バーナ２又は燃焼ガス通流部５５の少なくとも一方での燃焼ガスの燃焼振動に伴う圧力変動を検出する圧力センサＳである例を示した。
物理指標検出部の他の例としては、バーナ２又は燃焼ガス通流部５５の少なくとも一方での燃焼ガスの燃焼火炎の燃焼振動に伴う発光強度の変動を検出する光学センサであっても構わない。
また、バーナ２を形成するバーナ筒２ａ又は燃焼ガス通流部５５を形成するケーシング６の少なくとも一方での燃焼振動に伴う振動を検出する振動センサであっても構わない。

尚、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

本発明の計測データ解析装置及び計測データ解析方法は、ガスタービンにおけるバーナ間又は燃焼室間の少なくとも何れか一方での燃焼振動の位相同期の多寡を詳細に判定する計測データ解析装置、及び計測データ解析方法として、有効に利用可能である。

２ ：バーナ
５０ ：燃焼室
５５ ：燃焼ガス通流部
６０ ：ガスタービン
１００ ：計測データ解析装置
Ａ ：燃焼用空気
Ｃ１ ：位相算出部
Ｃ２ ：同期度合算出部
Ｃ３ ：判定部
Ｅ ：燃焼ガス
Ｆ ：燃料
Ｓ ：圧力センサ
ｍ ：同期度合

Claims (4)

1. 燃料と燃焼用空気とを燃焼させるバーナを複数有する燃焼室を複数備える燃焼器を備えるガスタービンにおける前記バーナ間又は前記燃焼室間の少なくとも何れか一方での燃焼振動の位相同期の多寡を判定する計測データ解析装置であって、
   前記燃焼室は、燃焼ガスを通流する燃焼ガス通流部を有し、
   前記バーナ及び前記燃焼ガス通流部の少なくとも何れか一方における前記燃焼振動に伴う物理指標を検出する物理指標検出部と、
   前記バーナ及び前記燃焼ガス通流部において、前記物理指標検出部にて検出される少なくとも２以上の前記物理指標の時系列データを、ヒルベルト変換して前記物理指標の位相を算出する位相算出部と、
   前記位相算出部にて算出された位相を〔数１〕に入力して、位相の瞬時的な同期度合ｍを算出する同期度合算出部と、
   前記同期度合算出部にて算出された前記同期度合ｍの経時変化に基づいて前記バーナ間又は前記燃焼室間の少なくとも何れか一方での前記燃焼振動の位相同期の多寡を判定する判定部とを備える計測データ解析装置。
   

   

   ただし、Ｎは前記物理指標検出部にて検出される値の数（バーナ又は燃焼室の数）、θは位相、ｉは虚数単位とする。
2. 前記判定部は、
   前記同期度合が０以上１以下で予め設定される燃焼振動判定閾値以上である場合、前記バーナ間又は前記燃焼室間の少なくとも何れか一方での前記燃焼振動の位相同期が進展している確度が高いと判定し、
   前記同期度合が前記燃焼振動判定閾値未満となった場合、前記バーナ間又は前記燃焼室間の少なくとも何れか一方での燃焼振動の位相同期が進展している確度が低いと判定する請求項１に記載の計測データ解析装置。
3. 前記物理指標検出部は、前記バーナ又は前記燃焼ガス通流部の少なくとも一方での燃焼ガスの前記燃焼振動に伴う圧力変動を検出する圧力センサ、前記バーナ又は前記燃焼ガス通流部の少なくとも一方での燃焼ガスの燃焼火炎の前記燃焼振動に伴う発光強度の変動を検出する光学センサ、前記バーナを形成するバーナ筒又は前記燃焼ガス通流部を形成するケーシングの少なくとも一方での前記燃焼振動に伴う振動を検出する振動センサの何れか１つから成る請求項１又は２に記載の計測データ解析装置。
4. 燃料と燃焼用空気とを燃焼させるバーナを複数有する燃焼室を複数備える燃焼器を備えるガスタービンにおける前記バーナ間又は前記燃焼室間の少なくとも何れか一方での燃焼振動の位相同期の多寡を判定する計測データ解析方法であって、
   前記燃焼室は、燃焼ガスを通流する燃焼ガス通流部を有するものであり、
   前記バーナ及び前記燃焼ガス通流部の少なくとも何れか一方における前記燃焼振動に伴う物理指標を検出する物理指標検出工程と、
   前記バーナ及び前記燃焼ガス通流部において、前記物理指標検出工程にて検出される少なくとも２以上の前記物理指標の時系列データを、ヒルベルト変換して前記物理指標の位相を算出する位相算出工程と、
   前記位相算出工程にて算出された位相を〔数１〕に入力して、位相の瞬時的な同期度合ｍを算出する同期度合算出工程と、
   前記同期度合算出工程にて算出された前記同期度合ｍの経時変化に基づいて前記バーナ間又は前記燃焼室間の少なくとも何れか一方での燃焼振動の位相同期の多寡を判定する判定工程とを備える計測データ解析方法。
   

   

   ただし、Ｎは前記物理指標検出工程にて検出される値の数（バーナ又は燃焼室の数）、θは位相、ｉは虚数単位とする。

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