JP4030490B2 - 圧縮機の失速及びサージの前兆を検出する方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの圧縮機の失速及びサージの前兆を検出する方法及びシステムに関する。

効率的な発電装置の世界市場は、１９８０年代半ば以降急速に拡大を続けている。この傾向は、今後も継続すると予想される。通常はガスタービン・ベースのトッピングサイクル及びランキン・ベースのボトミングサイクルを含むガスタービン複合サイクル発電プラントは、依然として発電における好ましい選択肢である。これは、ガスタービン・ベースの複合サイクルの運転効率が絶えず向上し続けていることと同時に、プラント投資コストが比較的低いことによるものである。

ガスタービンエンジンの運転中、圧縮機の圧力比が初めにある速度である臨界値を超え、続いて圧縮機の圧力比及び燃焼器に供給される空気流の減少を生じるような圧縮機の失速として知られている現象が発生する可能性がある。圧縮機の失速は、エンジンの急激な加速、或いはエンジンの正常運転時における入口の空気圧又は温度プロフィールの異常な歪みのような、様々な条件により生じる可能性がある。異物の吸込み又はエンジン制御システムの一部の機能不良による圧縮機の損傷もまた、圧縮機の失速及びそれに続く圧縮機の性能低下を生じさせる可能性がある。圧縮機の失速が検出されずにそのまま継続すると、圧縮機の温度及び圧縮機内に引き起こされる振動応力が、ガスタービンに損傷を生じさせるのに十分なほど高くなる可能性がある。

高い燃焼温度は、複合サイクルの効率及び規格出力を増大させることを可能にする。更に、所定の燃焼温度において、複合サイクル効率を最大にする最適サイクル圧力比を特定することができる。この最適サイクル圧力比は、燃焼温度が上昇するにつれて高まることが理論的に示されている。従って、産業用ガスタービンの心臓部である軸流圧縮機は、部品数を最小限に抑え、操作を簡単にし、コスト全体を下げる目標と同時に、圧力比をますます高めることが要求される。更に、軸流圧縮機は、サイクル効率全体を高める圧縮効率でもって、高レベルのサイクル圧力比で作動することが期待される。軸流圧縮機はまた、複合サイクル作動の変動する出力特性と関連する質量流量における幅広い範囲にわたり、空気力学的に及び航空力学的に安定して作動することも期待される。

据付け型ガスタービンエンジンの圧縮機作動圧力比は一般的に、サージマージン又は失速マージンと通常呼ばれるサージ／失速限界を避けて、予め指定されたマージンに設定されて、不安定な圧縮機作動を回避する。既存の圧縮機の歴史に基づき立証された技術にてこ入れする据付けベースへの改良及び新製品は、多くの場合、高い圧力比を可能にするために、作動サージ／失速マージンを減らすことを必要とする。これらの改良及び新製品の心臓部において、サージ／失速マージンの必要量及び対応するサージのリスクを評価することができ、現場で使用中の圧縮機の健全性を絶えず予測及び監視するためのツールが利用可能であることが必要である。
米国特許５４４８８８１号明細書 米国特許５８９４４７３号明細書 米国特許６４３８４８４号明細書 米国特許６５０６０１０号明細書 米国特許６５２２９９１号明細書 米国特許６５３２４３３号明細書 米国特許６５３６２８４号明細書

１つの解決策では、圧縮機を通しての空気流及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。圧力上昇に対してある範囲の値が先験的に選択されており、それを超えると、圧縮機の作動は不健全であるとみなされ、機械が停止される。このような圧力変動は、例えば不安定な燃焼、又は圧縮機自体における回転失速及びサージ事象のような、幾つかの原因による可能性がある。これらの事象を検出するために、圧縮機を通しての圧力上昇の変化の大きさと変化率が監視される。このような事象が発生すると、圧力上昇の大きさが急降下する可能性があり、変化の大きさとその変化率を監視しているアルゴリズムがその事象を認識することができる。しかしながら、この解決策は、回転失速又はサージの予測能力を提供せず、このような事象を前行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し得ない。

先行技術の上述の欠点及び不具合は、少なくとも１つの圧縮機パラメータが監視されて該少なくとも１つの圧縮機パラメータを表す生データが取得されるような、圧縮機の失速／サージの前兆を検出する方法及びシステムによって、克服され又は緩和される。生データは、周波数復調装置を使用して前処理されて、前処理したデータを生成し、該前処理したデータは、カルマンフィルタを使用して後処理されて、失速前兆が取得される。

本発明のこれら及び他の特徴及び利点は、以下の説明及び図面から理解されるであろう。

図３は、円筒形ハウジング１２を備えるガスタービンエンジン１０を示し、該円筒形ハウジング１２は、該円筒形ハウジング１２内にその前方端部に隣接して軸流圧縮機１４を有する。圧縮機１４は、外側ケーシングを有し、該外側ケーシングは、環状の空気入口１６を通して空気を受け、加圧空気を燃焼室１８に供給する。燃焼室１８内で、空気は燃料と共に燃焼され、その結果生じた燃焼ガスは、ノズル又はガイドベーン構造２０によりタービンロータ２４のロータブレード２２に向けられ、該ロータを駆動する。シャフト１３が、タービンロータ２４を圧縮機１４に駆動可能に結合する。タービンブレード２２から、排気ガスは、排気ダクト１９を通して後方に向けて、周囲の外気、ランキンサイクルプラント（図示せず）の過熱器／ボイラのようなボトミングサイクル、又はその他の利用箇所に吐出される。

ガスタービンエンジン１０の運転中、圧縮機１４の圧力比が初めにある速度である臨界値を超え、続いて圧縮機の圧力比及び燃焼器に供給される空気流の減少を生じるような圧縮機の失速として知られている現象が発生する可能性がある。圧縮機の失速は、急激なエンジン加速、或いはエンジンの正常運転時における入口の空気圧又は温度プロフィールの異常な歪みのような、様々な条件により生じる可能性がある。異物の吸込み又はエンジン制御システムの一部の機能不良による圧縮機の損傷もまた、圧縮機の失速及びそれに続く圧縮機の性能低下を生じさせる可能性がある。圧縮機の失速が検出されずにそのまま継続すると、圧縮機の温度及び圧縮機内に引き起こされる振動応力が、ガスタービンに損傷を生じさせるのに十分なほど高くなる可能性がある。

図１は、圧縮機１４を監視しかつ制御するための装置及び方法をブロック図の方式で示す。装置及び方法は、あらゆる数の段を有する圧縮機に実施することができる。第１の例示的な実施形態において、１つ又はそれ以上のセンサ３０が、ケーシング２６の周りに配置されて、例えば圧縮機を通って流れるガスの圧力及び速度、並びに／又は圧縮機ケーシング２６に作用する力及び振動のような、圧縮機パラメータを監視する。圧縮機を通って流れるガスの動圧は、以下に述べる詳細な説明において、例示的なパラメータとして利用される。圧力の代わりに、他の圧縮機パラメータを監視して、圧縮機１４の健全性を推察することができることが分かるであろう。１つ又は複数のセンサ３０により収集された動圧データは、キャリブレーションシステム３２に入力されて処理及び格納される。

キャリブレーションシステムは、プロセッサ３１で処理するための時系列データをサンプリングしかつデジタル化するためのＡＤ変換器を含む。プロセッサ３１は、収集した圧力データをフィルタ処理してノイズを除去し、該データを時系列分析する機能を実行する。キャリブレーションシステム３２からデータを受信すると、帯域通過フィルタ３４が、特定の関心のある周波数（f_C）に中心がある予め指定された幅の帯域外にある周波数を拒絶する。圧縮機１４のブレード１７の先端通過周波数を、関心のある周波数の実例として使用することができる。先端通過周波数は、圧縮機ブレード１７の数とロータの回転速度との積である。

１つ又は複数のセンサ３０から受信した格納データの量が所定のレベルに達すると、周波数復調装置３６が、帯域通過フィルタ３４からのデータを処理し、周波数復調信号を抽出する。より具体的には、周波数復調装置３６は、上に述べたように、その振幅が入力信号における局所卓越成分の瞬時周波数に対応する出力信号を生成する。また、周波数復調システム３６の中心周波数は、例えば圧縮機１４の回転ブレード１７の先端通過周波数となるように選択される。例えば、周波数復調システム３６の中心周波数が周波数f_Cに設定された場合、この復調システムに対する入力の瞬時周波数がf_Cに等しいときは常に、周波数復調システム３６の出力はゼロである。周波数復調信号は、低域通過フィルタ３８を使用して平滑化されて、ノイズの影響を減少させる。

センサデータを収集し、デジタル化し、かつ処理して予め指定された量のデータについての局所卓越成分が得られると、時系列分析が、該局所卓越成分データに対して実行されて、カルマンフィルタ４０の後処理に利用される動的モデルパラメータが取得される。

当該技術では知られているように、カルマンフィルタ４０は、一組の一次線型微分方程式、及びシステムの状態と出力との間の関係を含む測定モデルとして特徴付けられるシステム状態の動的モデルを含んでいる。本発明のシステムにおけるカルマンフィルタ４０は、動的モデルパラメータを、帯域通過フィルタ３４、周波数復調システム３６及び低域通過フィルタ３８を通過した新しく監視された局所卓越成分すなわちセンサデータと組み合わせる。次に、カルマンフィルタ４０は、選択された状態のフィルタ処理された推定値を計算する。カルマンフィルタ４０は、一組の重み係数を使用して、最新の局所卓越処理データサンプルに基づき、その後のデータサンプルのフィルタ処理された推定値を更新する。重み係数は、測定値におけるだけでなくシステムにおけるエラー源の相対的寄与率を考慮に入れるために適用される。これらの重み係数は、エラーの寄与率において計算された同時最小分散に基づいた値に最適化される。失速前兆測定システム４２は、「イノベーション」として知られる、監視されたデータとフィルタ処理された推定値との間の差を比較し、所定の数の比較を行った上で、イノベーションの標準偏差を計算する。カルマンフィルタ・イノベーションの標準偏差の大きさは、失速前兆信号を表す。

リアルタイム制御システム５２は、失速前兆測定システム４２からの失速前兆信号を、圧縮機１４を制御するための他のフィードバック及び制御パラメータ（図示せず）と共に入力する。失速前兆信号が、圧縮機が失速の危険性のある状態にあることをその振幅により示した場合に、リアルタイム制御システム５２は是正措置をとり、それにより、あらゆるそのような失速が発生するのを防止することができる。

図２は、図１のシステムと共通の要素が同じ参照番号で示されている、第２の実施形態を示す。ここでは、センサ３０により測定された圧縮機パラメータは、直接アナログシステム６０に渡され、該アナログシステム６０は、帯域通過フィルタ１３４、周波数復調システム１３６、及び低域通過フィルタ１３８のうちの少なくとも１つ又はそれ以上を備えている。アナログ信号は、これらを通過してサンプラ６２に渡され、該サンプラ６２において、アナログ信号はデジタル化されかつ処理されて、後処理を施すカルマンフィルタのための測定値が取得され、次に、カルマンフィルタが、失速前兆を得ることになる。カルマンフィルタ４０による後処理は、図１に示す実施形態に関して上に述べたように進行する。図４の配列は、データ獲得プロセスのサンプリング速度を著しく低下させる。サンプリング速度の利点は、帯域通過フィルタと周波数復調装置アルゴリズムの両方がアナログ回路を使用して実施された場合に実現される。

上に述べた例示的なシステムにより実行される方法は、少なくとも１つの圧縮機パラメータを監視する段階と、監視されたパラメータを分析して時系列データを取得する段階と、周波数復調装置を使用して該時系列データを前処理して出力信号を生成する段階と、カルマンフィルタを使用して該出力信号を後処理して失速前兆を求める段階とを含む。次に、失速前兆が、所定のベースライン値と比較されて圧縮機の性能低下が確認され、圧縮機の性能低下を緩和するための是正措置がとられて、予め選択されたレベルの圧縮機作動性を維持する。是正措置は、監視された圧縮機パラメータが所定の閾値内におさまるまで繰り返し実行されるのが好ましい。

１つの実施形態において、生データを前処理する段階は、時系列分析データをフィルタ処理して望ましくない信号を拒絶する段階と、該フィルタ処理された信号を周波数復調して該入力信号の局所卓越成分の瞬時周波数に対応する振幅を有する出力信号を生成する段階と、該周波数復調信号を低域通過フィルタ処理してノイズ干渉を減少させる段階とを含む。低域通過フィルタ処理された信号は、カルマンフィルタに組み合わされてフィルタ処理された推定値を生成する動的モデルパラメータを計算するための処理が施される。フィルタ処理された推定値の標準偏差及び新しい測定値が計算されて、失速前兆が生成される。

１つの実施形態において、時系列分析データをフィルタ処理して望ましくない信号を拒絶する段階は、帯域通過フィルタ又はアルゴリズムを使用して実行される。帯域通過フィルタの中心周波数（f_C）は、圧縮機ブレードの先端通過周波数に設定されるのが好ましい。フィルタ処理された信号を周波数復調する段階は、中心、又は基準周波数f_Cが圧縮機ブレードの先端通過周波数に設定された周波数復調装置により実行されることができるのが好ましい。

前処理は、デジタルドメイン又はアナログドメインで実行されることができる。前処理がデジタルドメインで実行される場合、デジタルシステムを使用してフィルタ処理又は復調される前に、センサ信号はサンプリングされ、デジタル化され、かつキャリブレーションされる。前処理がアナログドメインで実行される場合、アナログ信号は、サンプリングされかつデジタル化される前に、帯域通過フィルタ処理、復調処理、及び低域通過フィルタ処理されることを含む１つ又はそれ以上の機能処理を受ける。

是正措置は、作動ラインパラメータを変えることにより開始され、圧縮機に対する負荷を減少させることを含むのが好ましい。作動ラインパラメータは、閾値近傍に設定されるのが好ましい。

例示目的で、図４は、図１に関して上述したように配置された圧力センサによって感知された、例示的な生の圧力データを示す。図示した例示的なデータにおいて、失速は、約１０７秒で発生する。

図５は、失速事象に先立つ、図４の生の圧力データの周波数スペクトル分析を示す。この時点で、機械は、約９５％の修正速度（４９８４Ｈｚの先端通過周波数）で作動していた。前兆信号は、４９８４Ｈｚの中心の先端通過周波数の周り２７Ｈｚ及び５４Ｈｚにおいて示されている。周波数復調装置がこれらの周波数を捕捉し、復調信号が、カルマンフィルタによる後処理のために使用された。

図６は、復調装置による前兆スペクトルの捕捉を示す。この場合、前兆周波数は、２７、５４及び８１Ｈｚを含む。

図７は、カルマンフィルタ・イノベーションにおける前兆周波数の存在を示す。検出プロセスに有用であるのは、カルマンフィルタのイノベーションにおけるこれらの信号の捕捉である。機械が作動限界ラインに近づくにつれて、これらの信号の振幅が増加し、カルマンフィルタ・イノベーションがこの現象を捕え、最終的に、失速／サージの検出及び警告に至る。

図８は、カルマンフィルタによる後処理後に得られた失速度を示す。失速度は、１０７秒における実際の失速事象のかなり前の、８０〜８５秒も前にスタートしている前兆の傾向を示している。失速度のスケーリング及び閾値処理が行われ、強い前兆の存在が警告されて、制御システムによる介入を可能にし、それにより失速／サージ事象の発生を防止することができる。

本発明は、高効率と共に高圧力比を同時に達成する必要性の問題を解決する。

本発明を、現在最も実用的で好ましい実施形態であると考えられるものと関連して説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

第１の実施形態による、圧縮機を監視しかつ制御するための装置及び方法を表すブロック図。 第２の実施形態による、圧縮機を監視しかつ制御するための装置及び方法を表すブロック図。 例示的なガスタービンエンジンを示す図。 例示目的の生のセンサデータを示す図。 図４の生データの周波数スペクトル分析を示す図。 復調後の、図４の生データのスペクトルを示す図。 図４の生データを処理している間のカルマンフィルタ・イノベーションのスペクトルを示す図。 図４の生データの、カルマンフィルタによる後処理の後に取得された失速度を示す図。

符号の説明

１４ 圧縮機
１７ 圧縮機ブレード
２６ 圧縮機ケーシング
３０ センサ
３１ プロセッサ
３２ キャリブレーションシステム
３４ 帯域通過フィルタ
３６ 周波数復調装置
３８ 低域通過フィルタ
４０ カルマンフィルタ
４２ 失速前兆測定システム
５２ リアルタイム制御システム

Claims (14)

1. 圧縮機（１４）の失速又はサージの前兆を検出する方法であって、
   少なくとも１つの圧縮機（１４）パラメータを監視して、該少なくとも１つの圧縮機（１４）パラメータを表す生データを取得する段階と、
   周波数復調装置（３６、１３６）を使用して前記生データを前処理して、入力された失速前兆周波数を含む瞬時の生データを所定の周波数を中心周波数とした復調をすることによって得られる信号を含む、前処理したデータを生成する段階と、
   カルマンフィルタ（４０）を使用して前記前処理したデータを後処理して、失速前兆を取得する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記所定の周波数は、前記圧縮機のブレードの先端通過周波数であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記監視する段階が、前記圧縮機(１４)を通って流れるガスの静圧、該圧縮機(１４)を通って流れるガスの動圧、該圧縮機(１４)を通って流れるガスの速度、並びに該圧縮機(１４)のケーシング（２６）に作用する力及び振動のうちの少なくとも１つを監視する段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記監視する段階が、前記圧縮機(１４)内の少なくとも１つの位置の動圧を監視する段階を含むことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 圧縮機（１４）の失速又はサージの前兆を検出する方法であって、
   少なくとも１つの圧縮機（１４）パラメータを監視して、該少なくとも１つの圧縮機（１４）パラメータを表す生データを取得すると共に、前記少なくとも１つの圧縮機パラメータを表す信号をサンプリングしかつデジタル化して、時系列分析データを取得する段階と、
   周波数復調装置（３６、１３６）を使用して前記生データに少なくとも一部がデジタルドメインで実行される前処理を施して、入力された失速前兆周波数を含む瞬時の生データを所定の周波数を中心周波数とした復調をすることによって得られる信号を含む、前処理したデータを生成する段階と、
   カルマンフィルタ（４０）を使用して前記前処理したデータを後処理して、失速前兆（４２）を取得する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
6. 前記前処理する段階が、
   前記少なくとも１つの圧縮機パラメータから取得した時系列分析データを帯域通過フィルタ処理して、望ましくない信号を拒絶する段階と、
   前記復調をすることによって得られた信号を低域通過フィルタ処理してノイズを減少させる段階と、
   を含むことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記所定の周波数は、前記圧縮機のブレードの先端通過周波数であることを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
8. 圧縮機（１４）の失速又はサージの前兆を検出する方法であって、
   少なくとも１つの圧縮機パラメータを監視して、該少なくとも１つの圧縮機パラメータを表す生データを取得する段階と、
   周波数復調装置（３６、１３６）を使用して前記生データに少なくとも一部がアナログドメインで実行される前処理を施して、入力された失速前兆周波数を含む瞬時の生データを所定の周波数を中心周波数とした復調をすることによって得られる信号を含む、前処理したデータを生成する段階と、
   カルマンフィルタ（４０）を使用して前記前処理したデータを後処理して、失速前兆（４２）を取得する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
9. 前記前処理する段階が、
   前記少なくとも１つの圧縮機パラメータを表す時系列信号を帯域通過フィルタ処理して望ましくない信号を拒絶する段階と、
   前記復調をすることによって得られた信号を低域通過フィルタ処理してノイズを減少させ、前処理した信号を生成する段階と、
   を含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記所定の周波数は、前記圧縮機のブレードの先端通過周波数であることを特徴とする請求項８又は９に記載の方法。
11. 圧縮機の失速又はサージの前兆を検出するシステムであって、
    前記圧縮機(１４)に配置されて少なくとも１つの圧縮機パラメータを監視し、該少なくとも１つの圧縮機パラメータを表す生データを出力する、少なくとも１つのセンサ（３０）と、
    前記生データを受信し、失速前兆周波数を含む瞬時の生データを所定の周波数を中心周波数とした復調をすることによって得られる信号を含む復調データを生成する周波数復調装置（３６、１３６）と、
    前記復調データから失速前兆を取得するカルマンフィルタ（４０）と、
    前記少なくとも１つのセンサ(３０)からの出力をサンプリングしかつデジタル化して時系列分析生データを取得するためのキャリブレーションシステム（３２）と、
    を含むことを特徴とするシステム。
12. 前記所定の周波数は、前記圧縮機のブレードの先端通過周波数であることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
13. 前記少なくとも１つの圧縮機パラメータが、前記圧縮機（１４）を通って流れるガスの静圧を感知する静圧センサ（３０）、該圧縮機（１４）を通って流れるガスの動圧を感知する動圧センサ（３０）、該圧縮機（１４）を通って流れるガスの速度を感知する速度センサ（３０）、並びに該圧縮機(１４)のケーシング（２６）に作用する力及び振動を感知する力及び振動センサ（３０）のうちの１つ又はそれ以上を含むことを特徴とする、請求項１１に記載のシステム。
14. 前記周波数復調装置（３６、１３６）に入力される前に前記生データから望ましくない信号を拒絶するための帯域通過フィルタ（３４）を更に含むことを特徴とする、請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載のシステム。

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