JP5537757B2 - リーン・ブローアウトを予測しかつ／又は回避するための方法及び装置 - Google Patents

Description

この発明は、総括的にはガスタービンエンジン制御に関し、より具体的にはリーン・ブローアウトを事前警告するか又は回避するための方法及び装置に関する。

燃料及び空気は、ガスタービンエンジンにおける燃焼過程において燃焼される。この過程における窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を抑制するために、燃焼過程は、火炎温度を制御することによって制御される。燃料及び空気を均一に予混合して高い燃焼温度を回避することができ、またエンジンを一定の温度以下で作動させて許容不能な量のＮＯｘの発生を回避することができる。

ドライ式低ＮＯｘ燃焼システムを備えたガスタービンは、低ＮＯｘエミッションを保つために、リーン・ブローアウト（ＬＢＯ）境界に近い非常に希薄（リーン）なＦ／Ａ（燃料／空気）比で作動する。ＬＢＯ境界値よりもリーンなＦ／Ａ比により、火炎の一部又は全部のブローアウトが生じる可能性がある。さらに、カンごとのＦ／Ａ比の変動により、ＬＢＯ境界値からの大きなマージンで作動しているカンよりもブローアウトしやすくなった、ＬＢＯ境界値近くのＦ／Ａ比を有するカンが生じる。多くの場合、１つのカンにおけるブローアウトは、幾つかの隣接するカンにおけるブローアウトを招き、最終的にはそのことが、タービン停止の引き金となる可能性がある。ＬＢＯによるタービンの不具合は経費を押し上げ、停止期間中に収益を損ない、またブローアウトにより燃焼構成部品に物理的損傷を与えるおそれがある。
特開２００３−２３２２３０号公報

従って、本発明の幾つかの構成は、ガスタービンエンジンにおけるリーン・ブローアウト（ＬＢＯ）を予測する方法を提供する。本方法には、モニタ対象の燃焼器カン内部の圧力を表す圧力信号内の複数のトーンを抽出する段階と、各モニタ対象のカンにおける高温トーンの周波数をトラッキングする段階と、抽出したトーン及びトラッキングした周波数を利用して、ＬＢＯの確率を求める段階とを含む。

また、本発明の幾つかの構成は、ガスタービンエンジンにおけるリーン・ブローアウト（ＬＢＯ）を予測するための装置を提供する。本装置は、モニタ対象の燃焼カン内部の圧力を表す信号から複数のトーンを抽出し、各モニタ対象のカンにおける高温トーンの周波数をトラッキングし、抽出したトーン及びトラッキングした周波数を利用してＬＢＯの確率を求めるように構成される。

さらに、本発明の幾つかの構成は、ガスタービンエンジンにおけるリーン・ブローアウト（ＬＢＯ）を回避する方法を提供する。本方法は、モニタ対象の燃焼器カン内部の圧力を表す圧力信号内の複数のトーンを抽出する段階と、各モニタ対象のカンにおける高温トーンの周波数をトラッキングする段階と、抽出したトーン及びトラッキングした周波数を利用してＬＢＯの確率を求める段階と、求めたＬＢＯ確率が初期ＬＢＯを示した時に、是正措置をとるように制御装置に信号を送ってＬＢＯを防止する段階とを含む。

さらに、本発明の幾つかの構成は、ガスタービンエンジンにおけるリーン・ブローアウト（ＬＢＯ）を回避するための装置を提供する。本装置は、モニタ対象の燃焼カン内部の圧力を表す信号から複数のトーンを抽出し、各モニタ対象のカンにおける高温トーンの周波数をトラッキングし、抽出したトーン及びトラッキングした周波数を利用してＬＢＯの確率を求めるように構成される。本装置はさらに、求めたＬＢＯ確率が初期ＬＢＯを示した時に、是正措置をとるように制御装置に信号を送ってＬＢＯを防止するように構成される。

燃焼カンの測定燃焼ダイナミックス又は音響内で観測された様々な根拠シグネチャを使用するような様々な方法により、本発明の様々な構成において初期ブローアウトの検出が可能になることが、分かるであろう。

本発明の幾つかの構成は、ＬＢＯの確率を得るために、ＬＢＯトーンのＲＭＳ値と共にトーンの１つの周波数シフトと併せて、異なるトーン及びＬＢＯトーンのＲＭＳ値の相対変化を利用する。これらのトーンは、燃焼器内の圧力変動をモニタするために該燃焼器内部に配置した高応答性圧力プローブを利用して取得される。これらの圧力プローブからの信号は、下に述べる方法で解析される。

本発明の幾つかの構成では、また図１を参照すると、リーン・ブローアウト予測／防止システム１００は、異なるトーンを抽出するように構成されたＲＭＳ信号抽出モジュール１１６と、高温トーン用の周波数トラッキングモジュール１２８と、ＬＢＯ確率決定モジュール１２４とを含む。検出ロジック１００は、信号のダイナミックス（動的変動）と初期ブローアウト時に認められるシグネチャ（識別特性）とのスペクトル観測を利用する。例えば、ＧＥのガスタービン７ＦＡ型は、１４個のカンを有し、３つのトーン、すなわちＬＢＯトーン（１０〜２５Ｈｚ）、低温トーン（８０〜１２０Ｈｚ）及び高温トーン（１３０〜１６０Ｈｚ）を示す。シグネチャは、ＬＢＯトーン、低温トーン及び高温トーンにおけるエネルギー変化と、燃焼器がＬＢＯに近づいた時の高温トーンの周波数シフトとを含む。例えば、１つの実験では、ＬＢＯ事象の間におけるカンダイナミックスのスペクトル写真は、ＬＢＯトーンが強まり、一方、高温トーンは弱まりかつその周波数がシフトすることを示した。

ＬＢＯの検出ロジック１００の幾つかの構成では、また図１の概念又は論理図を参照すると、各モニタ対象のカン（例えば、１４個のカン）の圧力プローブからのダイナミックス信号１０２は、高周波Ｆ_Sでサンプルリングされ、１つ又はそれ以上のアンチエイリアスフィルタ１０４を通る。得られた信号は、ダウンサンプラ１０６に加えられ、ダウンサンプラ１０６は、ＲＭＳ値計算のために、高周波（ＫＨｚでの）で記録されたダイナミックスをより処理しやすい周波数（Ｈｚでの）にダウンサンプリングすることによって、計算負荷を軽減する。例えば、Ｆ_S＝２４ＫＨｚである場合には、次にＭ＝４８のデシメータ（縮小）比率を選択してサンプリング比率を５００Ｈｚに縮小することができる。ダウンサンプラ１０６の出力において例えばバッタワース（Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ）フィルタ１１０、１１２及び１１４のような帯域通過フィルタ１０８を使用して、ＬＢＯトーン（フィルタ１１０）、低温トーン（フィルタ１１２）及び高温トーン（フィルタ１１４）信号をフィルタ除去処理することができる。次に、ＲＭＳ決定ブロック１１６において、フィルタ除去処理したトーンのＲＭＳ値が求められる。各モニタ対象のカンごとにトーンが抽出され、各モニタ対象のカンの各トーンごとにＲＭＳ値が求められる。

本明細書で用いる場合、「モニタ対象のカン」は、（ａ）圧力センサ（これは音響変換器とすることができる）によって感知されることと、（ｂ）ＬＢＯ検出ロジック１００によって処理された信号を有することとの両方を満たした燃焼器カンである。例えば、本発明では、カンから多数の信号１０２を受信するが、ＬＢＯ検出ロジック１００がこれらの信号の幾つかを無視するような構成が可能になる。無視された信号を有するカンは、本明細書でのその用語を用いると「モニタ対象のカン」ではない。

各モニタ対象のカンごとの高温トーンにおける周波数シフトは、ウィンドウＦＦＴ法を用いてモニタされる。ブロック１１８においてＬＢＯトーンＲＭＳ値を用いて、基本ＬＢＯ確率Ｐ_RMSiLBOが求められ、ここで添字ｉは、１からカンの数までの範囲のインデックスである。ブロック１２４において、正規分布の累積確率関数を用いかつ平均値及び分散値を選択して、ＬＢＯトーンの所定のＲＭＳ値における所望のＬＢＯの確率を得る。幾つかの構成では、また図２を参照すると、このＬＢＯ確率は、以下の２つの根拠情報の派生部分によって精度が高められる。すなわち、２つの派生部分とは、ブロック１２０で求められ、３つのトーンの相対変化を反映していているＲＭＳ比α、つまり、

と、１３２におけるウィンドウＦＦＴブロックを通してフィルタ処理されかつ１２８において周波数変移をモニタされたサンプリング信号からブロック１２２において求められた、高温トーンの周波数シフトβとであり、
βは、

と定義され、ここで、ｆ_Uは高温トーンの周波数の上限であり、ｆ_Lは高温トーンの周波数の下限であり、ｆ_Cは高温トーンの瞬時中心周波数である。パラメータｆ_U及びｆ_Lは、高温トーン帯域通過フィルタのカットオフ周波数に設定される。幾つかの構成におけるパラメータαは、２０６で示すように、ハードリミットされて、確率を正規化した後の分解能を維持する。乗算器２０８は、αのハードリミット値にブロック１１８から取得したＬＢＯ確率を乗算する。乗算器２１０は、その結果にβを乗算する。得られたカンのＬＢＯ確率は、

で表されるシグモイド関数を用いて、精度を高められかつ０〜１の間に正規化される。この関数により、単一のカンのＬＢＯの確率が得られる。パラメータαはハードリミットされて、その確率を正規化した後の適切なカンＬＢＯ分解能を維持する。このようにして、全ての燃焼器カンについてのＬＢＯ確率がモニタされる。任意の時間におけるガスタービンＬＢＯ確率は、その時点での全ての計算したカンＬＢＯ確率の最大値として、最大値選択ブロック１２６によって決定される。幾つかの構成では、フィードバック制御装置１３４は、１３０におけるこの確率Ｐ（ＬＢＯ）を用いて、是正措置を開始し、ブローアウトを回避する。

リーン・ブローアウト予測／防止システム１００の様々な構成は、個別のサンプリング及びロジック構成要素、及び／又は適切にプログラムされたコンピュータ又はマイクロプロセッサ、及び／又は適切な信号処理構成要素及び／又はソフトウェア又はファームウェアを用いて実施することができる。

本発明の幾つかの構成では、アルゴリズムの提案したバリアントの３つのモジュールの調整可能なパラメータは、ＲＭＳ計算値を含む。例えば、ＲＭＳ計算モジュール１１６は、ダウンサンプルリングしたダイナミックスデータからＬＢＯトーン、低温トーン、高温トーンの要素を抽出し、移動平均フィルタを適用して雑音を低減する前にそれぞれのＲＭＳ値（ｐｓｉでの）を計算するように構成される。

幾つかの構成におけるデシメータ１０６のデシメート比率すなわちダウンサンプルリング比率Ｍは、ダウンサンプルリングされる周波数が、関心のある周波数範囲の２倍よりも大きくなるように選択される。本実施例では、関心のある周波数は２００Ｈｚまでである。そこで、Ｍは、４００Ｈｚより大きい値に対して比率をダウンサンプルリングするように選択される。サンプリング周波数Ｆ_Sが変化すれば、それに応じてＭは調整することができる。

幾つかの構成におけるＲＭＳ決定ブロック１１６のウィンドウサイズ（サンプル数）は、時間にわたってＲＭＳ値を精度よくトラッキングするのに十分な分解能が得られるように選択され、また同時にトラッキングしている高温トーン周波数と同期している。

幾つかの構成では、フィルタ１０４の低帯域通過（アンチエイリアス）フィルタ係数は、二次セクション構造で構成される。幾つかの構成では、サンプリング周波数が、３ｄＢカットオフ周波数が関心のある周波数領域（この実施例では２００Ｈｚ）の上限に位置するように変化した場合には、フィルタ１０４は再設計される。

幾つかの構成では、帯域通過フィルタ１１０、１１２及び１１４の係数は、二次セクション構造の形態で構成される。フィルタ１１０、１１２及び１１４のサンプリング周波数は、ダウンサンプリングした周波数である。幾つかの構成におけるフィルタ１１０、１１２及び１１４は、ダウンサンプリングした周波数が変化した場合には、再設計される。幾つかの構成では、ＬＢＯトーン、低温トーン及び高温トーンの帯域は、異なるガスタービン（７ＦＡ）機械に対しては、異なる状態で調整される。

幾つかの構成では、１１６を平滑化するＲＭＳ値のための移動平均フィルタサイズは、５サンプル型に設定される。フィルタサイズを大きくすることにより、雑音低減を強化できるが、その代わりに遅延がさらに大きくなる。

幾つかの構成では、高温トーン周波数トラッキングモジュール１２８は、時間領域生音響信号に対して非重複ハニング（Ｈａｎｎｉｎｇ）ウィンドウＦＦＴ計算を適用することによって、高温トーンの卓越周波数（ｆ_C）をトラッキングする。ＦＦＴウィンドウサイズは、特定のサンプリング周波数における時間分解能を設定する。例えば、８１９２ポイントを用いることにより、１２．８ＫＨｚサンプリング比率において０．６４秒の時間分解能が得られる。幾つかの構成におけるダウンサンプルリング比率Ｍ及びＲＭＳウィンドウサイズは、ＲＭＳ値ベクトルと高温トーン周波数ベクトルとが同期するように調整される。しかしながら、幾つかの構成では、内挿補間法を用いて、周波数シフトベクトルとＲＭＳ値とを時間的に整列させる。平均値を得るためのＦＦＴスキャンの数を１よりも大きい値に設定した場合には、計算時間が増加する代わりに、雑音のより少ない周波数トラッキングが得られる。ウィンドウの重複を用いることにより、非重複構成に比べて、時間の遅延が生じる代わりに、時間分解能の向上と、周波数トラッキングの精度の改善とが得られる。幾つかの構成では、高温トーンの下限及び上限は、高温トーン帯域フィルタ設定値と一致する。

ＬＢＯ確率計算モジュール１２４は、ＬＢＯトーンＲＭＳ信号を入力として用いて、予め定めた統計モデルに従って、ＬＢＯ確率を求める。次に、その確率は、それぞれ高温トーンのＲＭＳ比及び周波数シフトである根拠情報の２つの項α及びβを用いて精度を高められる。様々な構成において、高められたＬＢＯ確率は、次にブロック２１２においてシグモイド関数を用いて、０〜１の間に非線形正規化される。幾つかの構成では、ＬＢＯ事象の９５％確率に対する閾値は、ＬＢＯトーンのＲＭＳ値を用いて調整される。幾つかの構成では、統計モデルの平均値及び分散値もまた、タービンの履歴ＬＢＯトーンデータを用いて調整される。さらに、幾つかの構成では、比αは、それ自体は履歴ＬＢＯデータを用いて調整することができる閾値ＳＰを用いて、ブロック２０６でハードリミットされる。シグモイド関数のマッピング性能を制御するパラメータＱ₀、Ｑ₁は、幾つかの構成では、

で表される関係に従って、α×βの最大値における精度を高めた確率値が１にマッピングされるように調整される。

上で述べたような構成は、４つのＬＢＯ事象、すなわち３つはＧＥ７ＦＡ型ガスタービンで発生し、また１つはＧＥ９Ｈ型ガスタービンで発生したＬＢＯ事象を解析するために提供された。この構成は、ＬＢＯ確率が大きくなり、そして１になる各事象において、タービンの不具合が起こる前にＬＢＯを正しく予測した。この予測は、ＬＢＯを回避することになる是正措置をとるチャンスの時間枠に対応する。幾つかのケースでは、ＬＢＯ確率は、実際のＬＢＯよりも２５秒も早くＬＢＯ事象を示した。

７ＦＡ型における事象の１つでは、長時間の出力低下の間に、機械の不具合が発生した。１４個のカンの音響データが、２４ＫＨｚでサンプリングされた。２つのカン（カン６及び１２）は、それらのデータがケーブルの故障のために正しくなかったので、解析から排除した。デシメーション比率は、ダウンサンプリングした周波数を５００Ｈｚに設定するために、４８に保たれた。帯域通過フィルタ１１０、１１２及び１１４の帯域は、適切に選ばれた。ＲＭＳウィンドウサイズは、０.５秒ごとに値を生成するように調整された。ＦＦＴウィンドウサイズは、非重複で１２０００サンプルに保たれて、０.５秒ごとに高温トーン周波数をトラッキングした。ＬＢＯ事象の間に異なるカンにおいて収集したダイナミックスデータのスペクトル写真は、高温トーンの周波数シフト及び異なるトーンの大きさの相対変化のような、根拠情報の部分を明確に示した。また、ＬＢＯは、タービンがＬＢＯに近づくにつれて、顕著になりかつ強力になった。

この実験によるＬＢＯ検出結果が、得られた。ＬＢＯトーンが強くなるにつれて、全てのカンにおけるブローアウトの確率は最高に達することになる。ＬＢＯトーンが強くなるにつれて、高温トーンが弱まりかつ周波数がシフトするので、パラメータα及びβは同様に最高に達した。低温トーンは、幾つかのカンでより強くなった。結果として、αとβとの積が、最高に達した。ＬＢＯの確率は、この積によって精度を高められ、シグモイド関数を用いて正規化された。全てのカンの確率の最大値は、タービンの不具合の確率を瞬時に示するように、毎回選択した。確率は、タービンの不具合が発生する前（すなわち、出力がゼロに降下する時）の約２８秒前に、また排気温度拡散が増加し始める２３秒前に、０．７５を超えて最高に達した。従って、ＬＢＯを回避するための是正措置をとるための２３秒の時間枠が得られた。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が本発明の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施できることは、当業者には明らかであろう。特許請求の範囲に記載した参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めるためではなく、それらを容易に理解するためのものである。

本発明のリーン・ブローアウト予測／防止システムの幾つかの構成を示す概念ブロック図。 図１で示した本発明の構成で有用な根拠情報の統合ブロック（すなわち確率決定モジュール）を示す概念ブロック図。

１００ リーン・ブローアウト予測／防止システム
１０２ 圧力信号
１０４ アンチエイリアスフィルタ
１０６ ダウンサンプラ
１０８ バッタワースフィルタ
１１０、１１２、１１４、１３２ ウィンドウＦＦＴ
１１６ ＲＭＳ計算モジュール
１２４ ＬＢＯ確率計算モジュール
１２６ 最大値選択ブロック
１２８ 周波数トラッキングモジュール
１３４ フィードバック制御装置
２０８、２１０ 乗算器
２１２ 正規化装置

Claims (8)

1. ガスタービンエンジンにおけるリーン・ブローアウト（ＬＢＯ）を予測する方法であって、
   モニタ対象の複数の燃焼器カンの各々について燃焼器カン内部の圧力を表す圧力信号（１０２）内のＬＢＯトーン、低温トーン及び高温トーンを抽出し、前記トーンの各々についてのＲＭＳ値を求める段階（１１６）と、
   各モニタ対象のカンにおける高温トーンの周波数をトラッキングする段階（１２８）と、
   前記段階（１１６）で抽出したＬＢＯトーン、低温トーン及び高温トーン及び前記段階（１２８）でトラッキングした周波数を利用して、ＬＢＯの確率を求める段階（１２４）と
   を含む方法。
2. 前記段階（１２４）で求めたＬＢＯの確率が、前記高温トーンが弱まりかつその周波数がシフトした時により高くなる、請求項１記載の方法。
3. 前記段階（１１６）が、前記圧力信号（１０２）をダウンサンプリングする段階（１０６）をさらに含み、前記ＬＢＯトーン、低温トーン及び高温トーンを抽出することが、それぞれ１０〜２５Ｈｚ、８０〜１２０Ｈｚ及び１３０〜１６０Ｈｚの通過帯域を有する帯域通過フィルタ（１０８）を利用して、前記ダウンサンプリングした圧力信号から前記トーンの各々を抽出する段階を含む、請求項１又は請求項２記載の方法。
4. 各モニタ対象のカンにおける高温トーンの周波数をトラッキングする段階（１２８）が、正規分布の累積確率密度関数と選択した平均値及び分散値を利用して、ＬＢＯトーンの所定のＲＭＳ値についてのＬＢＯの確率を得る段階を含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
5. ガスタービンエンジンにおけるリーン・ブローアウト（ＬＢＯ）を予測するための装置であって、
   モニタ対象の複数の燃焼器カンの各々について燃焼器カン内部の圧力を表す信号（１０２）からＬＢＯトーン、低温トーン及び高温トーンを抽出し、前記トーンの各々についてのＲＭＳ値を求めるＲＭＳ信号抽出モジュール（１１６）と、
   各モニタ対象のカンにおける高温トーンの周波数をトラッキングする周波数トラッキングモジュール（１２８）と、
   前記ＲＭＳ信号抽出モジュール（１１６）で抽出したＬＢＯトーン、低温トーン及び高温トーン及び前記周波数トラッキングモジュール（１２８）でトラッキングした周波数を利用して、ＬＢＯの確率を求めるＬＢＯ確率決定モジュール（１２４）と
   を含む装置。
6. 前記ＬＢＯ確率決定モジュール（１２４）で求めたＬＢＯの確率が、前記高温トーンが弱まりかつその周波数がシフトした時により高くなる、請求項５記載の装置。
7. 前記ＲＭＳ信号抽出モジュール（１１６）が、前記圧力信号（１０２）をダウンサンプリングするように構成されているとともに、前記ＬＢＯトーン、低温トーン及び高温トーンを抽出するために、該ＲＭＳ信号抽出モジュール（１１６）が、それぞれ１０〜２５Ｈｚ、８０〜１２０Ｈｚ及び１３０〜１６０Ｈｚの通過帯域を有する帯域通過フィルタ（１０８）を利用して、前記ダウンサンプリングした圧力信号から前記トーンの各々を抽出するように構成されている、請求項５又は請求項６記載の装置。
8. ガスタービンエンジンにおけるリーン・ブローアウト（ＬＢＯ）を回避する方法であって、
   請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法によってＬＢＯの確率を求める段階（１２４）と、
   前記段階（１２４）で求めたＬＢＯ確率を用いて、是正措置をとるように制御装置（１３４）に信号を送って、ＬＢＯを防止する段階（１３０）と
   を含む方法。