JP6927525B2 - Gas turbine abnormal condition detection device and abnormal condition detection method - Google Patents
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Description
本発明は、ガスタービンの異常状態の発生を検知する異常状態検知装置、及び異常状態検知方法に関する。 The present invention relates to an abnormal state detecting device for detecting the occurrence of an abnormal state of a gas turbine, and an abnormal state detecting method.
従来、ガスタービンでは、燃焼器にて発生するNOxの低減化を図る燃焼方式として、希薄予混合燃焼が知られているが、当該希薄予混合燃焼にあっては、燃焼振動、吹き消え等といった不安定な物理現象が発生することが知られている。更に、圧縮機を通過する新気の流速が一定以上になるときに回転翼が振動するフラッタ、圧縮機を通過する新気の流量を低下していくと新気の流量や圧力が周期的に激しく振動するサージ、及び旋回失速等の不安定な物理現象が発生することもある。ここで、新気は、空気のみと、空気と燃料ガスの混合気との双方の概念を含むものである。
上述したような不安定な物理現象は、突発的に発生することが多いため、これらの不安定な物理現象の発生を予め検知できる技術が望まれている。
例えば、特許文献1に開示の技術にあっては、希薄予混合燃焼を行うガスタービンにおいて突発的に発生する吹き消えの予兆を検知して回避するべく、ガスタービン燃焼器の圧力の時系列データを高速フーリエ変換して周波数領域にて解析する手法等が提案されている。
Conventionally, in gas turbines, dilute premixed combustion is known as a combustion method for reducing NOx generated in a combustor, but in the dilute premixed combustion, combustion vibration, blowout, etc. are performed. It is known that unstable physical phenomena occur. Furthermore, the flutter that the rotary blade vibrates when the flow velocity of the fresh air passing through the compressor exceeds a certain level, and the flow rate and pressure of the fresh air periodically increase as the flow rate of the fresh air passing through the compressor decreases. Unstable physical phenomena such as violently vibrating surges and turning stalls may occur. Here, fresh air includes the concept of both air alone and a mixture of air and fuel gas.
Since the unstable physical phenomena described above often occur suddenly, a technique capable of detecting the occurrence of these unstable physical phenomena in advance is desired.
For example, in the technique disclosed in
特許文献1に開示の技術にあっては、不安定な物理現象である吹き消えの予兆を検知するべく、ガスタービン燃焼器の圧力の時系列データを、膨大な演算量を必要とする高速フーリエ変換する演算を経時的に実行する必要があり、高い演算能力を有する計算機を備えなければならず、設備コストがかかるといった問題があった。また、不安定な物理現象は、周波数解析のような線形解析ではその予兆を適切に検知することが難しく、新たな技術の開発が望まれていた。
In the technique disclosed in
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、比較的シンプルな解析手法で、ガスタービンの不安定な物理現象である異常状態の発生を適切に検知できる異常状態検知装置、及び異常状態検知方法を提供する点にある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to detect an abnormal state that can appropriately detect the occurrence of an abnormal state, which is an unstable physical phenomenon of a gas turbine, by a relatively simple analysis method. The point is to provide an apparatus and a method for detecting an abnormal state.
上記目的を達成するための異常状態検知装置は、ガスタービンの不安定な物理現象を含む異常状態の発生を検知する異常状態検知装置であって、その特徴構成は、
前記ガスタービンの燃焼器内の圧力である燃焼器内圧力に関連する燃焼器内圧力関連値を検知する圧力関連値検出手段と、
前記圧力関連値検出手段にて検出された前記燃焼器内圧力関連値の時系列データから水平可視グラフ法によりネットワーク(すなわち、グラフ)を構築し、所定のサンプリング期間にサンプリングされた離散点に基づいて構築される前記ネットワークの次数分布から算出される水平可視グラフ法を用いて構築された前記ネットワークの一般化されたネットワークエントロピー(グラフエントロピー)としての水平ネットワークエントロピーを導出する水平ネットワークエントロピー導出部と、
前記水平ネットワークエントロピー導出部にて逐次導出される前記水平ネットワークエントロピーに基づいて、前記ガスタービンにて前記異常状態が発生するか否かを検知する異常状態検知部とを備え、
前記水平ネットワークエントロピーは、前記水平可視グラフ法を用いて下記の〔数1〕にて定義される水平ネットワークエントロピーhh,qであり、
前記異常状態検知部は、前記水平ネットワークエントロピーhh,qに基づいて、前記ガスタービンにて前記異常状態が発生するか否かを検知する点にある。
The abnormal state detecting device for achieving the above object is an abnormal state detecting device that detects the occurrence of an abnormal state including an unstable physical phenomenon of a gas turbine, and its characteristic configuration is as follows.
A pressure-related value detecting means for detecting a combustor-in-combustor pressure-related value related to a combustor-in-combustor pressure, which is the pressure in the combustor of the gas turbine, and
A network (that is, a graph) is constructed by the horizontal visibility graph method from the time series data of the pressure-related values in the combustor detected by the pressure-related value detecting means, and based on the discrete points sampled in a predetermined sampling period. With the horizontal network entropy derivation unit that derives the horizontal network entropy as the generalized network entropy (graph entropy) of the network constructed by using the horizontal visibility graph method calculated from the order distribution of the network constructed in ,
An abnormal state detecting unit for detecting whether or not the abnormal state occurs in the gas turbine based on the horizontal network entropy sequentially derived by the horizontal network entropy deriving unit is provided.
The horizontal network entropy is the horizontal network entropy h h, q defined by the following [Equation 1] using the horizontal visible graph method.
The abnormal state detecting unit is at a point of detecting whether or not the abnormal state occurs in the gas turbine based on the horizontal network entropy h h, q.
本発明において、ガスタービンの異常状態とは、燃焼振動、吹き消え、フラッタ、サージ及び旋回失速等の不安定な物理現象を含む概念であるとする。
上記特徴構成によれば、水平ネットワークエントロピー導出部が、圧力関連値検出手段にて検出された燃焼器内圧力関連値の時系列データから水平可視グラフ法によるネットワークを構築し、所定のサンプリング期間にサンプリングされた離散点に基づいて構築されるネットワークの次数分布から算出される水平ネットワークエントロピーhh,qを導出し、異常状態検知部が、水平ネットワークエントロピーhh,qに基づいて、ガスタービンにて異常状態が発生するか否かを検知するから、従来技術の如く、高速フーリエ変換等の演算量が大きくなる処理を実行する必要がなく、高い演算能力を有する計算機を備えなくて良いため、設備コストを低減できる。
更に、発明者らは、鋭意検討した結果、ガスタービンの燃焼器内圧力関連値の時系列データから構築される水平可視グラフの次数分布から算出される水平ネットワークエントロピーhh,qが、ガスタービンの異常状態と強い関連のある燃焼器内圧力関連値の波形の乱雑さに対し高い相関を有する値であることを見出した。当該知見により、該水平ネットワークエントロピーhh,qに基づいてガスタービンにて異常状態が発生するか否かを検知することで、ガスタービンの異常状態の発生を適切に検知することができる。
特に、水平可視グラフ法は、ネットワークを構築するアルゴリズムが他のもの(例えば、通常の可視グラフ法)よりもシンプルで高速の現象に適用でき、ガスタービンにて発生する燃焼振動(周期振動)と安定燃焼(非周期振動)との間での高速遷移過程を好適に検知できるため、ガスタービンの異常状態としての燃焼振動を適切に検知することができる。
以上より比較的シンプルな解析手法で、ガスタービンの不安定な物理現象の発生を適切に検知できる異常状態検知装置を実現できる。
In the present invention, the abnormal state of the gas turbine is a concept including unstable physical phenomena such as combustion vibration, blowout, flutter, surge and turning stall.
According to the above-mentioned feature configuration, the horizontal network entropy derivation unit constructs a network by the horizontal visible graph method from the time series data of the pressure-related values in the combustor detected by the pressure-related value detecting means, and within a predetermined sampling period. The horizontal network entropy h h, q calculated from the order distribution of the network constructed based on the sampled discrete points is derived, and the anomaly state detector tells the gas turbine based on the horizontal network entropy h h, q. Since it is detected whether or not an abnormal state occurs, it is not necessary to execute a process such as a fast Fourier transform that increases the amount of calculation as in the prior art, and it is not necessary to provide a computer having high calculation ability. Equipment costs can be reduced.
Furthermore, as a result of diligent studies, the inventors have found that the horizontal network entropy h h, q calculated from the order distribution of the horizontal visible graph constructed from the time series data of the pressure-related values in the combustor of the gas turbine is the gas turbine. It was found that the value has a high correlation with the disorder of the waveform of the pressure-related value in the combustor, which is strongly related to the abnormal state of. Based on this finding, it is possible to appropriately detect the occurrence of an abnormal state of the gas turbine by detecting whether or not an abnormal state occurs in the gas turbine based on the horizontal network entropy h h, q.
In particular, the horizontal visibility graph method can be applied to phenomena where the algorithm for constructing the network is simpler and faster than other ones (for example, the normal visibility graph method), and the combustion vibration (periodic vibration) generated in the gas turbine. Since the high-speed transition process with stable combustion (aperiodic vibration) can be suitably detected, combustion vibration as an abnormal state of the gas turbine can be appropriately detected.
From the above, it is possible to realize an abnormal state detection device that can appropriately detect the occurrence of an unstable physical phenomenon of a gas turbine by a relatively simple analysis method.
ここで、可視グラフとは、時系列の離散点を棒グラフに見立て、ある2つの離散点に可視性が存在するときに、離散点に対応する頂点同士を枝で繋いで構築されるネットワーク、もしくはグラフの総称である。ある離散点に対応する頂点から伸びる枝の本数をその頂点の次数kと呼ぶ。更に、可視グラフには単に可視グラフと呼ばれるものと水平可視グラフと呼ばれるものがあり、水平可視グラフとは、横軸が時間t、縦軸が圧力pの時系列を例に説明すると、任意の2つの離散点i(ti、pi)、j(tj、pj)の間にある全ての離散点n(tn、pn)が以下の〔数2〕を満たすときに、離散点i、jの間が水平的に可視であると判断され、離散点i、jに対応するネットワーク上の頂点が接続されることで構築されるグラフである。 Here, the visible graph is a network constructed by connecting the vertices corresponding to the discrete points with branches when the discrete points of the time series are regarded as a bar graph and visibility exists at a certain two discrete points. It is a general term for graphs. The number of branches extending from a vertex corresponding to a certain discrete point is called the degree k of the vertex. Further, there are two types of visible graphs, one is simply called a visible graph and the other is called a horizontal visible graph. The horizontal visible graph is an arbitrary time series in which the horizontal axis is time t and the vertical axis is pressure p. two discrete points i (t i, p i) , j (t j, p j) all discrete points n (t n, p n) that is between the when satisfies the following expression (2), discrete It is a graph constructed by determining that the points i and j are horizontally visible and connecting the vertices on the network corresponding to the discrete points i and j.
ただし、ある頂点と、その両隣の頂点の間は必ず可視である為、枝を繋ぐ。 However, since it is always visible between a certain vertex and the vertices on both sides of it, connect the branches.
例えば、横軸が時間t、縦軸が圧力pの図3の1本の時系列に基づいて説明する。
図3の上方の棒グラフにおいて、離散点a(ta、pa)とf(tf、pf)の間のすべての離散点b(tb、pb)とc(tc、pc)とd(td、pd)とe(te、pe)は、〔数2〕の関係を満たし、離散点a−f間は可視であるため、離散点a、fに対応する頂点間を枝を結ぶ。当該水平可視グラフにおいて、離散点に対応する頂点を繋ぐ枝の数(次数k)は、図3の下方のグラフに示すように、ネットワーク上の頂点aで3、頂点bで2、頂点cで5、頂点dで2、頂点eで3、頂点fで3となる。
因みに、2つの離散点に対応するネットワーク上の頂点は、図3の上方のグラフに示すように、離散点間を直線(図示せず)で繋いだときに、当該直線が棒グラフと交わる場合、枝で繋げないものとする。
For example, the description will be made based on one time series of FIG. 3 in which the horizontal axis is the time t and the vertical axis is the pressure p.
Above the bar graph of FIG. 3, the discrete point a (t a, p a) and f (t f, p f) all discrete points b (t b, p b) between c (t c, p c ) and d (t d, p d) and e (t e, p e) satisfies the relationship of expression (2), between the discrete points a-f is because it is visible, discrete points a, corresponding to f Connect branches between vertices. In the horizontally visible graph, the number of branches (order k) connecting the vertices corresponding to the discrete points is 3, at the apex a on the network, 2 at the apex b, and at the apex c, as shown in the lower graph of FIG. 5. Vertex d is 2, vertex e is 3, and vertex f is 3.
Incidentally, when the vertices on the network corresponding to two discrete points are connected by a straight line (not shown) between the discrete points as shown in the upper graph of FIG. 3, when the straight line intersects the bar graph, It shall not be connected by branches.
水平可視グラフの次数分布から算出される水平ネットワークエントロピーhh,qは、燃焼器内圧力関連値の波形の乱雑さに対し高い相関を有する値であるため、上記特徴構成の如く、水平可視グラフの次数分布から算出される水平ネットワークエントロピーhh,qに基づいて、ガスタービンにて異常状態が発生するか否かを検知することで、燃焼器内圧力関連値の波形の乱雑さに対応して発生するガスタービンの異常状態(例えば、吹き消えや燃焼振動)を、適切に検知できる。 Since the horizontal network entropies h h and q calculated from the order distribution of the horizontally visible graph are values having a high correlation with the disorder of the waveform of the pressure-related value in the combustor, the horizontally visible graph is as shown in the above feature configuration. By detecting whether or not an abnormal state occurs in the gas turbine based on the horizontal network entropy h h, q calculated from the order distribution of, it is possible to deal with the disorder of the waveform of the pressure-related value in the combustor. It is possible to appropriately detect an abnormal state of the gas turbine (for example, blowout or combustion vibration) that occurs.
特に、水平可視グラフの次数分布から算出される水平ネットワークエントロピーhh,qにおいて、対象データによってqの値を可変に設定することで、ガスタービンの異常状態(例えば、吹き消えや燃焼振動)の検知を、より適切に行うことができる。 In particular, in the horizontal network entropy h h, q calculated from the order distribution of the horizontal visible graph, by setting the value of q variably according to the target data, the abnormal state of the gas turbine (for example, blowout or combustion vibration) can be determined. The detection can be performed more appropriately.
異常状態検知装置の更なる特徴構成は、
前記ガスタービンの前記異常状態としての吹き消えが発生する直前状態のときの次数分布から算出される前記水平ネットワークエントロピーhh,qより吹き消え検知閾値を予め導出して記憶する記憶部を備え、
前記異常状態検知部は、前記水平ネットワークエントロピー導出部が導出した前記水平ネットワークエントロピーhh,qが前記吹き消え検知閾値を超えたときに、前記吹き消えが発生すると検知する点にある。
Further feature configuration of the abnormal state detection device is
A storage unit is provided which derives and stores the blowout detection threshold value in advance from the horizontal network entropies h h and q calculated from the order distribution in the state immediately before the blowout as the abnormal state of the gas turbine occurs.
The abnormal state detecting unit detects that the blowout occurs when the horizontal network entropy h h, q derived by the horizontal network entropy derivation unit exceeds the blowout detection threshold value.
これまで説明してきたように、水平可視グラフに関連する水平ネットワークエントロピーhh,qは、燃焼器内圧力関連値の波形の乱雑さに対し高い相関を有する値であることを見出すと共に、吹き消えが発生する虞が高くなり燃焼器内圧力関連値の波形の乱雑さが高まるに従って、水平ネットワークエントロピーhh,qが高い値となることを見出した。
即ち、上記特徴構成の如く、前記水平ネットワークエントロピー導出部が導出した水平ネットワークエントロピーhh,qが吹き消え検知閾値を超えたときに、吹き消えが発生すると検知する異常状態検知部を備えることで、吹き消えが発生することを適切に検知することができる。
As described above, the horizontal network entropy h h, q related to the horizontal visibility graph is found to be a value having a high correlation with the disorder of the waveform of the pressure-related value in the combustor, and is blown out. It was found that the horizontal network entropy h h and q become higher as the possibility of occurrence of the above increases and the disturbance of the waveform of the pressure-related value in the combustor increases.
That is, as in the above feature configuration, by providing an abnormal state detection unit that detects that blowout occurs when the horizontal network entropy h h, q derived by the horizontal network entropy derivation unit exceeds the blowout detection threshold value. , It is possible to appropriately detect the occurrence of blowout.
異常状態検知装置の更なる特徴構成は、
前記ガスタービンにて燃焼振動が発生している場合の前記水平ネットワークエントロピーhh,qと、安定燃焼が発生している場合の前記水平ネットワークエントロピーhh,qとの間の値である燃焼振動検知閾値を予め導出して記憶する記憶部を備え、
前記異常状態検知部は、前記水平ネットワークエントロピー導出部が導出した前記水平ネットワークエントロピーhh,qが前記燃焼振動検知閾値を下回ったときに、前記燃焼振動が発生すると検知する点にある。
Further feature configuration of the abnormal state detection device is
Combustion vibration that is a value between the horizontal network entropy h h, q when combustion vibration is generated in the gas turbine and the horizontal network entropy h h, q when stable combustion is generated. It is equipped with a storage unit that derives and stores the detection threshold in advance.
The abnormal state detection unit detects that the combustion vibration is generated when the horizontal network entropy h h, q derived by the horizontal network entropy derivation unit falls below the combustion vibration detection threshold value.
上記特徴構成の如く、水平ネットワークエントロピー導出部が導出した水平可視グラフの次数分布から算出される水平ネットワークエントロピーhh,qが燃焼振動検知閾値を下回ったときに、燃焼振動が発生すると検知する異常状態検知部を備えることで、燃焼振動(周期振動)と安定燃焼(非周期振動)との間の高速遷移状態が発生することがあるガスタービンにおいて、高速現象にも良好に対応して、燃焼振動を早い段階で適切に検知することができる。 An abnormality that detects that combustion vibration occurs when the horizontal network entropy h h, q calculated from the order distribution of the horizontal visible graph derived by the horizontal network entropy derivation unit falls below the combustion vibration detection threshold as in the above characteristic configuration. By providing a state detection unit, in a gas turbine where a high-speed transition state between combustion vibration (periodic vibration) and stable combustion (aperiodic vibration) may occur, combustion can be performed well in response to high-speed phenomena. Vibration can be detected appropriately at an early stage.
異常状態検知装置の更なる特徴構成は、
前記異常状態検知部は、
前記ガスタービンの前記異常状態としての吹き消えの発生を検知する場合、前記水平ネットワークエントロピーhh,qのq値を、0より大きく1.0以下の値に設定し、
前記ガスタービンの前記異常状態としての振動燃焼の発生を検知する場合、前記水平ネットワークエントロピーhh,qのq値を、1.0より大きい値に設定する点にある。
Further feature configuration of the abnormal state detection device is
The abnormal state detection unit
When detecting the occurrence of blowout as the abnormal state of the gas turbine, the q values of the horizontal network entropy h h and q are set to a value larger than 0 and 1.0 or less.
When detecting the occurrence of oscillating combustion as the abnormal state of the gas turbine, the q value of the horizontal network entropy h h, q is set to a value larger than 1.0.
今般、発明者らは、水平可視グラフの次数分布から算出される水平ネットワークエントロピーhh,qにおいて、対象データによってqの値を可変に設定する計算を行った。計算結果を図6に示す。
因みに、図6に示す例では、以下の〔数3〕に示す圧力波形のように、正弦波に正規分布乱数を印加した波形から、水平ネットワークエントロピーhh,qを算出した。
条件として、ノイズにはMATLAB関数の「randn」を使用し、サンプル数は、6000Hz×60sとし、パラメータqは、刻み幅0.001として0.001〜10の間で変化させ、pの振幅が一定になるように正弦波とノイズとを入れ替えて、時間の増大に伴ってノイズの時間比率が大きくなる関数y(t)を定義し、計算を行った。
Recently, the inventors have performed a calculation in which the value of q is variably set according to the target data in the horizontal network entropy h h, q calculated from the order distribution of the horizontal visible graph. The calculation result is shown in FIG.
Incidentally, in the example shown in FIG. 6, the horizontal network entropy h h and q were calculated from the waveform obtained by applying a normally distributed random number to the sine wave as shown in the pressure waveform shown in [Equation 3] below.
As a condition, the MATLAB function "randn" is used for noise, the number of samples is 6000 Hz x 60 s, the parameter q is changed between 0.001 and 10 with a step size of 0.001, and the amplitude of p is The sine wave and the noise were exchanged so as to be constant, and a function y (t) in which the time ratio of the noise increased as the time increased was defined and calculated.
図6の計算結果から、発明者らは、対象データとしての燃焼器内圧力関連値の波形にノイズが混入する場合に、ノイズの増大に従って、水平ネットワークエントロピーhh,qが反応して増大するq値(0より大きく1.0以下の値で比較的小さいq値)と、ノイズが増大したとしても、水平ネットワークエントロピーhh,qが反応をほとんど示さず変化しないq値(1.0より大きい値で比較的大きいq値)とがあることを見出した。 From the calculation results of FIG. 6, the inventors have found that when noise is mixed in the waveform of the combustor pressure-related value as the target data, the horizontal network entropy h h, q reacts and increases as the noise increases. The q value (a value greater than 0 and less than 1.0, which is relatively small) and the q value (from 1.0) in which the horizontal network entropy h h and q show almost no reaction and do not change even if noise increases. It was found that there is a large value and a relatively large q value).
更に、発明者らは、吹き消えの近傍の燃焼器内圧力関連値のデータは、卓越周波数が存在しないデータがノイズに埋もれることがあるという知見から、吹き消え近傍におけるノイズの水平ネットワークエントロピーhh,qへの影響を抑制するべく、ガスタービンの異常状態としての吹き消えの発生を検知する場合、水平ネットワークエントロピーhh,qのq値を、0より大きく1.0以下の値で比較的小さい値に設定することが好ましいという知見を得た。
これにより、吹き消え近傍におけるノイズの水平ネットワークエントロピーhh,qへの影響を良好に抑制することができる。
一方、ガスタービンの異常状態としての振動燃焼の発生を検知する場合、水平ネットワークエントロピーhh,qのq値を、1.0より大きい値で比較的大きい値に設定する。
これにより、例えば、安定燃焼状態における当量比変化に伴う圧力変動の乱雑さの変化をより顕著に捉えるようになり、水平ネットワークエントロピーhh,qの変化が鋭敏になることで、燃焼振動、吹き消え等といった不安定な物理現象を検知する上で閾値の設定がより容易になるという効果が得られる。
Furthermore, the inventors have found that the data of the pressure-related values in the combustor in the vicinity of the blowout may be buried in the noise in the absence of the dominant frequency, and therefore, the horizontal network entropy of the noise in the vicinity of the blowout h h When detecting the occurrence of blowout as an abnormal state of the gas turbine in order to suppress the influence on , q, the q value of the horizontal network entropy h h , q is relatively set to a value larger than 0 and 1.0 or less. It was found that it is preferable to set it to a small value.
As a result, the influence of noise on the horizontal network entropy h h and q in the vicinity of the blowout can be satisfactorily suppressed.
On the other hand, when detecting the occurrence of oscillating combustion as an abnormal state of the gas turbine , the q values of the horizontal network entropy h h and q are set to a value larger than 1.0 and a relatively large value.
As a result, for example, the change in the disorder of the pressure fluctuation accompanying the change in the equivalent ratio in the stable combustion state can be grasped more prominently, and the change in the horizontal network entropy h h and q becomes sensitive, so that the combustion vibration and blowing It is possible to obtain the effect that the threshold value can be set more easily in detecting an unstable physical phenomenon such as disappearance.
上記目的を達成するための異常状態検知方法は、ガスタービンの不安定な燃焼状態を含む異常状態の発生を事前に検知する異常状態検知方法であって、その特徴構成は、
前記ガスタービンの燃焼器内の圧力である燃焼器内圧力に関連する燃焼器内圧力関連値を検知する圧力関連値検出工程と、
前記圧力関連値検出工程にて検出された前記燃焼器内圧力関連値の時系列データから水平可視グラフ法によりネットワークを構築し、所定のサンプリング期間にサンプリングされた離散点に基づいて構築される前記ネットワークの次数分布から算出される水平可視グラフ法を用いて構築された前記ネットワークの一般化されたネットワークエントロピーとしての水平ネットワークエントロピーhh,qを導出する水平ネットワークエントロピー導出工程と、
前記水平ネットワークエントロピー導出工程にて逐次導出される前記水平ネットワークエントロピーhh,qに基づいて、前記ガスタービンにて前記異常状態が発生するか否かを検知する異常状態検知工程とを実行する点にある。
The abnormal state detection method for achieving the above object is an abnormal state detection method that detects in advance the occurrence of an abnormal state including an unstable combustion state of a gas turbine, and its characteristic configuration is as follows.
A pressure-related value detection step for detecting a combustor pressure-related value related to the combustor pressure, which is the pressure inside the combustor of the gas turbine,
The network is constructed by the horizontal visibility graph method from the time series data of the pressure-related values in the combustor detected in the pressure-related value detection step, and is constructed based on the discrete points sampled in a predetermined sampling period. A horizontal network entropy derivation step for deriving the horizontal network entropy h h, q as a generalized network entropy of the network constructed by using the horizontal visibility graph method calculated from the order distribution of the network.
A point of executing an abnormal state detection step of detecting whether or not the abnormal state occurs in the gas turbine based on the horizontal network entropy h h and q sequentially derived in the horizontal network entropy derivation step. It is in.
当該異常状態検知方法を実行することにより、これまで説明してきた異常状態検知装置と同等の作用効果を奏することができる。 By executing the abnormal state detecting method, it is possible to obtain the same effect as that of the abnormal state detecting device described so far.
本実施形態に係る異常状態検知装置100及び異常状態検知方法は、比較的シンプルな解析手法で、ガスタービンの不安定な物理現象である異常状態の発生を適切に検知できるものに関する。尚、当該実施形態において、ガスタービンの異常状態とは、燃焼振動、吹き消え、フラッタ、サージ及び旋回失速等の不安定な物理現象を含む概念であるとする。
以下、当該異常状態検知装置100及び異常状態検知方法を、図面に基づいて説明する。尚、本願に係る発明は、ガスタービンの異常状態の発生を検知するものであるが、当該実施形態にあっては、ガスタービンに替えて、ガスタービンエンジン燃焼器の部分要素を模擬した燃焼器を有するガスタービンモデル燃焼器10を備えている構成例に基づいて説明する。
The abnormal
Hereinafter, the abnormal
異常状態検知装置100は、主要構成として、ガスタービンモデル燃焼器10の燃焼室11(燃焼器の一例)の圧力(燃焼器内圧力関連値の一例)を検出する圧力トランスデューサ22(燃焼器内圧力関連値検出手段の一部の構成)と、当該圧力トランスデューサ22にて検出された圧力の時系列データから水平可視グラフ法によりネットワークを構築し所定のサンプリング期間(例えば、100msec)に、例えば、5000Hzでサンプリングされた離散点に基づいて構築されるネットワークの次数分布から算出される水平可視グラフ法を用いて構築されたネットワークの一般化されたネットワークエントロピーとしての水平ネットワークエントロピーhh,qを導出する水平ネットワークエントロピー導出部30a(制御装置30の機能部位)と、水平ネットワークエントロピー導出部30aにて逐次導出される水平ネットワークエントロピーhh,qに基づいて、ガスタービンモデル燃焼器10にて異常状態が発生するか否かを検知する異常状態検知部30b(制御装置30の機能部位)とを備えている。
The abnormal
ガスタービンモデル燃焼器10は、燃料Fと燃焼用空気Aとの混合気を燃焼させる予混合燃焼器であり、燃料Fと燃焼用空気Aとを受け入れるインテーク部13と、当該インテーク部13にて受け入れられスワラー(図示せず)にて旋回された混合気を燃焼する燃焼室11と、当該燃焼室11からの排気を冷却する冷却室12とから構成されている。因みに、冷却室12には、冷却水ジャケット(図示せず)が設けられており、冷却水流入部12bを介して冷却水Cを流入すると共に冷却水流出部12aを介して冷却水Cを流出する形態で、冷却水ジャケットに冷却水が通流する。
The gas
インテーク部13は、燃料供給路を介して、メタン等の燃料を貯留する燃料タンク61に連通接続されており、燃料供給路は、その中流路において、主燃料供給路L1と副燃料供給路L2とを並列に備えて構成されている。更に、主燃料供給路L1には当該主燃料供給路L1を通流する燃料Fの質量流量を制御する第1マスフローコントローラー32が設けられており、副燃料供給路L2には当該副燃料供給路L2を通流する燃料Fの質量流量を制御する第2マスフローコントローラー33が設けられている。第1マスフローコントローラー32と第2マスフローコントローラー33の夫々は、制御装置30からの制御指令に従って質量流量を制御可能に構成されている。
The
更に、インテーク部13は、燃焼用空気供給路L4を介して、燃焼用空気Aを圧送するコンプレッサ62に連通接続されており、燃焼用空気供給路L4には当該燃焼用空気供給路L4を通流する燃焼用空気Aの流量を制御する空気流量制御装置51が設けられており、当該空気流量制御装置51は、制御装置30からの制御指令に従って燃焼用空気Aの流量を制御可能に構成されている。
Further, the
燃焼室11には、当該燃焼室11の入口近傍の壁面位置の圧力を検出し、検出された圧力に応じた電圧信号を出力する圧力トランスデューサ22が設けられている。更に、当該圧力トランスデューサ22から出力された電圧信号を増幅する増幅器21が設けられ、増幅器21にて増幅された電圧信号が制御装置30に伝送される。
即ち、圧力トランスデューサ22及び増幅器21が、圧力関連値検出手段として機能する。
The
That is, the
制御装置30は、図2の機能ブロック図に示すように、上述したガスタービンモデル燃焼器10の異常状態が発生するか否かを検知するための機能部位としての水平ネットワークエントロピー導出部30a、異常状態検知部30b、記憶部30c、閾値設定部30dを有する。各機能部位は、CPU、メモリ、及び入出力デバイス等から成るハードウェアとコンピュータプログラム群から成るソフトウエアとが協働する形態で、実装されている。
As shown in the functional block diagram of FIG. 2, the
増幅器21から伝送された圧力に応じた電圧信号は、入出力ボードとしての圧力信号入力部31を介して、制御装置30の水平ネットワークエントロピー導出部30aに入力される。
因みに、水平ネットワークエントロピー導出部30aは、所定期間(例えば、100msec)の圧力に応じた電圧信号を図示しないメモリにFIFO形式で記憶し、当該記憶された電圧信号に基づいて以下の如く水平ネットワークエントロピーhh,qを導出する。
The voltage signal corresponding to the pressure transmitted from the
Incidentally, the horizontal network
水平ネットワークエントロピー導出部30aは、圧力に応じた電圧信号(圧力の時系列データ)から水平可視グラフを構築し、所定のサンプリング期間(例えば、100msec)に、例えば、5000Hzでサンプリングされた離散点に基づいて構築されるネットワークの次数分布から水平ネットワークエントロピーhh,qを導出する。
当該実施形態にあっては、水平ネットワークエントロピー導出部30aは、水平可視グラフ法を用いて下記の〔数1〕にて定義される水平ネットワークエントロピーhh,qを導出する。
The horizontal network
In the embodiment, the horizontal network
ここで、可視グラフとは、時系列の離散点を棒グラフに見立て、ある2つの離散点に可視性が存在するときに、離散点に対応するネットワーク上の頂点同士を枝で繋いだネットワーク、もしくはグラフの総称である。ここで、枝の本数をその離散点に対応するネットワーク上の頂点の次数kと呼ぶ。更に、可視グラフの中で水平可視グラフとは、横軸が時間t、縦軸が圧力pの時系列を例に説明すると、任意の2つの離散点i(ti、pi)、j(tj、pj)の間にある全ての離散点n(tn、pn)が以下の〔数2〕を満たすときに、離散点i、jに対応するネットワーク上の頂点が接続されることで構築されるグラフである。 Here, the visible graph is a network in which discrete points in a time series are regarded as a bar graph, and when visibility exists at two discrete points, the vertices on the network corresponding to the discrete points are connected by branches, or It is a general term for graphs. Here, the number of branches is referred to as the degree k of the vertices on the network corresponding to the discrete points. Furthermore, the horizontal visibility graphs in visibility graph, the horizontal axis indicates time t, the vertical axis is described as an example a time series of the pressure p, any two discrete points i (t i, p i) , j ( When all the discrete points n (t n , p n ) between t j , p j ) satisfy the following [Equation 2], the vertices on the network corresponding to the discrete points i, j are connected. It is a graph constructed by.
ただし、ある頂点と、その両隣の頂点の間は必ず可視である為、枝を繋ぐ。 However, since it is always visible between a certain vertex and the vertices on both sides of it, connect the branches.
例えば、横軸が時間t、縦軸が圧力pの図3の時系列に基づいて説明する。
図3の上方の棒グラフにおいて、離散点a(ta、pa)とf(tf、pf)の間のすべての離散点b(tb、pb)とc(tc、pc)とd(td、pd)とe(te、pe)は、〔数2〕の関係を満たし、離散点a−f間は可視であるため、離散点a−f間に対応するネットワーク上の頂点に枝を結ぶ。
当該水平可視グラフにおいて、離散点に対応するネットワーク上の頂点を繋ぐ枝の数(次数k)は、図3の下方のグラフに示すように、頂点aで3、頂点bで2、頂点cで5、頂点dで2、頂点eで3、頂点fで3となる。
因みに、2つの離散点に対応するネットワーク上の頂点は、図3の上方のグラフに示すように、離散点間を直線で繋いだときに、当該直線が棒グラフと交わる場合、枝で繋げないものとする。
For example, the description will be given based on the time series of FIG. 3 in which the horizontal axis is the time t and the vertical axis is the pressure p.
Above the bar graph of FIG. 3, the discrete point a (t a, p a) and f (t f, p f) all discrete points b (t b, p b) between c (t c, p c ) and d (t d, p d) and e (t e, p e) satisfies the relationship of expression (2), since the inter discrete points a-f are visible, corresponding to between discrete points a-f Connect branches to the vertices on the network.
In the horizontally visible graph, the number of branches (order k) connecting the vertices on the network corresponding to the discrete points is 3 at the apex a, 2 at the apex b, and 2 at the apex c, as shown in the lower graph of FIG. 5. Vertex d is 2, vertex e is 3, and vertex f is 3.
By the way, the vertices on the network corresponding to the two discrete points are not connected by branches when the straight lines intersect with the bar graph when the discrete points are connected by a straight line as shown in the upper graph of FIG. And.
閾値設定部30dは、ガスタービンモデル燃焼器10の異常状態を判定するための閾値を設定するものである。当該閾値設定部30dは、使用者から閾値を示す情報を受け付けても良いし、他のソフトウェアから与えられた閾値を示す情報を受け付けても構わない。受け付けた閾値は、記憶部30cに記憶される。
当該実施形態では、記憶部30cは、閾値として、ガスタービンモデル燃焼器10の異常状態としての吹き消えが発生する直前状態のときの水平ネットワークエントロピーhh,qである吹き消え検知閾値T1を記憶している。更に、記憶部30cは、ガスタービンモデル燃焼器10にて燃焼振動(周期振動)が発生している場合の水平ネットワークエントロピーhh,qと、安定燃焼(非周期振動)が発生している場合の水平ネットワークエントロピーhh,qとの間の値である燃焼振動検知閾値T2を記憶している。
The threshold
In the embodiment, the
異常状態検知部30bは、当該実施形態にあっては、ガスタービンモデル燃焼器10の異常状態としての吹き消え、及び燃焼振動の発生を検知するものである。
異常状態検知部30bは、水平ネットワークエントロピー導出部30aが逐次導出した水平ネットワークエントロピーhh,qが、上述した吹き消え検知閾値T1を超えるか否か、及び上述した燃焼振動検知閾値T2を下回るか否かを監視する。
異常状態検知部30bは、水平ネットワークエントロピー導出部30aが逐次導出した水平ネットワークエントロピーhh,qが吹き消え検知閾値T1を超える場合、その後、吹き消えが発生する可能性が高いと検知し、水平ネットワークエントロピー導出部30aが逐次導出した水平ネットワークエントロピーhh,qが燃焼振動検知閾値T2を下回る場合、その後、燃焼振動が発生する可能性が高いと検知する。
In the embodiment, the abnormal
In the abnormal state detection unit 30b, whether or not the horizontal network entropy h h and q sequentially derived by the horizontal network
When the horizontal network entropy h h, q sequentially derived by the horizontal network
詳細な説明は省略するが、当該実施形態にあっては、制御装置30は、ガスタービンモデル燃焼器10の通常の出力制御を第1マスフローコントローラー32による燃料Fの質量流量制御及び空気流量制御装置51による燃焼用空気Aの流量制御により実行しているのであるが、異常状態検知部30bが、吹き消えが発生する可能性が高いと検知した場合、第2マスフローコントローラー33にて燃料Fの質量流量を徐々に増加する制御を実行し、異常状態検知部30bが、燃焼振動が発生する可能性が高いと検知した場合、第2マスフローコントローラー33にて燃料Fの質量流量を減少する制御を実行する。
Although detailed description will be omitted, in the embodiment, the
即ち、当該実施形態に係る異常状態検知装置100の異常状態検知方法では、ガスタービンモデル燃焼器10の圧力(燃焼器内圧力関連値の一例)を検知する圧力関連値検出工程と、圧力関連値検出工程にて検出された圧力の時系列データから水平可視グラフ法によりネットワークを構築し、所定のサンプリング期間(例えば、100msec)に、例えば、5000Hzでサンプリングされた離散点に基づいて構築されるネットワークの次数分布を用いて上述の〔数1〕にて定義される水平ネットワークエントロピーhh,q(次数分布の一例)を導出する水平ネットワークエントロピー導出工程と、水平ネットワークエントロピー導出工程にて逐次導出される水平ネットワークエントロピーhh,qに基づいて、ガスタービンモデル燃焼器10にて異常状態が発生するか否かを検知する異常状態検知工程とを実行する。
That is, in the abnormal state detection method of the abnormal
次に、上記実施形態に係る異常状態検知装置100及び異常状態検知方法にて、ガスタービンモデル燃焼器10の異常状態を検知可能か否かを検証した試験結果を、図4、5に基づいて説明する。ただし、以下では、q=1に設定している場合を例として説明する。
Next, the test results for verifying whether or not the abnormal state of the gas
尚、当該試験結果では、比較対象として、通常の可視グラフの次数分布を用いた通常ネットワークエントロピーhvに基づいた試験結果も示している。
因みに、通常の可視グラフは、横軸を時間t、縦軸を圧力pの時系列を例とすると、任意の2つの離散点i(ti、pi)、j(tj、pj)の間にある全ての離散点n(tn、pn)が以下の〔数4〕を満たすときに、離散点i、jに対応するネットワーク上の頂点が接続されることで構築されるグラフである。
Incidentally, in the test results, for comparison, also shows typical test results usually based on network entropy h v using degree distribution of the visibility graph.
Incidentally, a normal visible graph, the horizontal axis represents time t, when the time series of the vertical axis the pressure p as an example, any two discrete points i (t i, p i) , j (t j, p j) A graph constructed by connecting vertices on the network corresponding to discrete points i and j when all the discrete points n (t n , p n) between are satisfied with the following [Equation 4]. Is.
ただし、ある頂点と、その両隣の頂点の間は必ず可視である為、枝を繋ぐ。 However, since it is always visible between a certain vertex and the vertices on both sides of it, connect the branches.
更に、以下で説明する通常の可視グラフの次数分布を用いた通常ネットワークエントロピーhvの試験結果では、可視できる範囲を制限する視力Nvisを導入している。Nvisは外れ値の影響を低減し、低周波数による次数の増加を少なくする効果を有する。即ち、吹き消えの近傍等、卓越周波数が存在しないデータがノイズに埋もれている場合にNvisを適用することで、次数の増加を抑制している。吹き消えの近傍では、圧力変動に卓越周波数が存在しないことから、燃焼振動の卓越周波数を検知したい周波数帯fとし、燃焼振動の卓越周波数は±5〜10Hz程で変動するため、以下の〔数5〕によりNvisを決定する。ただし、fsをサンプリング周波数とする。 Furthermore, the test result of the normal network entropy h v using degree distribution of the normal visibility graphs described below introduces a vision N vis that limits the range that can be visualized. N vis has the effect of reducing the effects of outliers and reducing the increase in order due to low frequencies. That is, the increase in the order is suppressed by applying Nvis when the data in which the dominant frequency does not exist is buried in the noise, such as in the vicinity of the blowout. Since there is no predominant frequency in the pressure fluctuation in the vicinity of the blowout, the predominant frequency of the combustion vibration is set to the frequency band f to be detected, and the predominant frequency of the combustion vibration fluctuates in about ± 5 to 10 Hz. 5] determines N vis. However, f s is used as the sampling frequency.
当該視力Nvisを用いて、通常の可視グラフの次数分布を用いた通常ネットワークエントロピーhvは、以下の〔数6〕に基づいて表される。 Using the visual acuity N vis , the normal network entropy h v using the order distribution of the normal visible graph is expressed based on the following [Equation 6].
試験では、ガスタービンモデル燃焼器10に導入される混合気の当量比φを、0≦t〔sec〕≦10において0.84で一定とし、10<t〔sec〕≦40程度までは、0.84から0.50まで徐々に一定の割合で低下させたときの圧力の時系列データの二乗平均平方根Prms、水平可視グラフの次数分布を用いた水平ネットワークエントロピーhh,q、通常の可視グラフの次数分布を用いた通常ネットワークエントロピーhvを計測した。
In the test, the equality ratio φ of the air-fuel mixture introduced into the gas
圧力の波形の乱雑さは、図示は省略するが、図4で、0≦t〔sec〕≦10の燃焼振動域(周期振動域)において低く、10<t〔sec〕≦40程度の安定燃焼域(非周期振動域)では高いことが知られている。更に、圧力の波形の乱雑さは、10<t〔sec〕≦40程度の安定燃焼域(非周期振動域)では、当量比φが低下して吹き消えするタイミングに近づくに従って、高くなることが知られている。圧力の波形の乱雑さは、ガスタービンモデル燃焼器10の吹き消え、燃焼振動、サージ、フラッタ及び旋回失速等の異常状態に高い相関を有すると考えられている値であり、当該値に高い相関を有するパラメータを発見することは、ガスタービンモデル燃焼器10の異常状態を検知する上で、重要となる。
尚、「圧力の波形の乱雑さ」とは、「圧力の波形から構築されるネットワーク構造の乱雑さ」を意味する。ネットワークが様々な次数で構築されていれば、それだけネットワーク構造に偏りがなく、水平ネットワークエントロピーhh,qは増大する。情報理論の観点から、水平ネットワークエントロピーhh,qが増大するにつれて、ネットワーク構造がより乱雑になっていると判断できる。
Although not shown, the disorder of the pressure waveform is low in the combustion vibration range (periodic vibration range) of 0 ≦ t [sec] ≦ 10 in FIG. 4, and stable combustion of about 10 <t [sec] ≦ 40. It is known to be high in the region (aperiodic vibration region). Further, the disorder of the pressure waveform may increase in the stable combustion region (aperiodic vibration region) of about 10 <t [sec] ≦ 40 as the equivalent ratio φ decreases and approaches the timing of extinction. Are known. The randomness of the pressure waveform is a value that is considered to have a high correlation with abnormal conditions such as blowout, combustion vibration, surge, flutter, and turning stall of the gas
The "randomness of the pressure waveform" means "the disorder of the network structure constructed from the pressure waveform". If the network is constructed with various orders, the network structure is not biased and the horizontal network entropy h h, q increases. From the viewpoint of information theory, it can be judged that the network structure becomes more disordered as the horizontal network entropies h h and q increase.
図4(a)に示すように、Prmsは、10<t〔sec〕≦40程度の安定燃焼域で、時間の経過に伴う当量比φの低下に従って、圧力の波形の乱雑さが高くなるにも関わらず、略一定の値を示している。このため、Prmsは、圧力の波形の乱雑さに対して高い相関を有しているとは言えない。従って、閾値等を設けたとしても、Prmsを用いて、ガスタービンモデル燃焼器10の吹き消え等の異常状態の発生を検知することは難しいといえる。
これに対し、hh,qは、図4(a)に示すように、0≦t〔sec〕≦10の燃焼振動域(周期振動域)において低く、10<t〔sec〕≦40程度の安定燃焼域(非周期振動域)においては、時間の経過に伴う当量比φの低下に従って略一定の割合で徐々に高くなる傾向を有しており、これは圧力の波形の乱雑さと高い相関を有していることがわかる。
特に、hh,qは、10<t〔sec〕≦40程度の安定燃焼域(非周期振動域)においては、時間の経過に伴う当量比φの低下に従って略一定の割合で徐々に高くなる傾向を有しているから、例えば、図4(a)に示すように、吹き消え検知閾値T1や燃焼振動検知閾値T2を設定することで、ガスタービンモデル燃焼器10の吹き消えや燃焼振動等の異常状態の発生を検知することができる。
即ち、結果として吹き消えや燃焼振動等の異常状態の予兆を検知できることになる。
As shown in FIG. 4 (a), P rms is the 10 <t (sec) ≦ 40 about stable combustion zone, corresponding to the decrease of equivalence ratio φ over time, randomness of the pressure waveform is high Nevertheless, it shows a substantially constant value. Therefore, P rms can not be said to have a high correlation with the randomness of the pressure waveform. Therefore, even if a threshold value or the like is provided, it can be said that it is difficult to detect the occurrence of an abnormal state such as blowout of the gas
On the other hand, h h and q are low in the combustion vibration range (periodic vibration range) of 0 ≦ t [sec] ≦ 10 as shown in FIG. 4 (a), and are about 10 <t [sec] ≦ 40. In the stable combustion region (aperiodic vibration region), there is a tendency for the equivalence ratio φ to gradually increase with the passage of time at a substantially constant rate, which is highly correlated with the disorder of the pressure waveform. You can see that it has.
In particular, h h and q gradually increase at a substantially constant rate as the equivalent ratio φ decreases with the passage of time in the stable combustion region (aperiodic vibration region) of about 10 <t [sec] ≦ 40. Since there is a tendency, for example, as shown in FIG. 4A, by setting the blowout detection threshold T1 and the combustion vibration detection threshold T2, the blowout and combustion vibration of the gas
That is, as a result, it is possible to detect a sign of an abnormal state such as blowout or combustion vibration.
一方、通常ネットワークエントロピーhvは、図4(b)に示すように、0≦t〔sec〕≦10の燃焼振動域(周期振動域)において高く、10<t〔sec〕≦40程度の安定燃焼域(非周期振動域)においては、時間の経過に伴う当量比φの低下に従って略一定の割合で徐々に低くなる傾向を有しており、通常ネットワークエントロピーhvは圧力の波形の乱雑さを適切に取り扱えない。
このため、ガスタービンモデル燃焼器10の様々な異常状態を検知するのに適しているとは言えない。
On the other hand, as shown in FIG. 4B, the normal network entropy hv is high in the combustion vibration range (periodic vibration range) of 0 ≦ t [sec] ≦ 10, and is stable with about 10 <t [sec] ≦ 40. In the combustion region (aperiodic vibration region), there is a tendency for the equivalence ratio φ to gradually decrease with the passage of time at a substantially constant rate, and the network entropy hv is usually the disorder of the pressure waveform. Cannot be handled properly.
Therefore, it cannot be said that it is suitable for detecting various abnormal states of the gas
因みに、図5のグラフ図には、時間を介さずに、当量比ごとのhh,q及びPrmsを示しているが、当該図5のグラフ図においても、当量比φに関してみれば、hh,q及びPrmsは、上記図4で説明したものと同様の傾向を有することがわかる。 Incidentally, the graph of FIG. 5 shows h, q and Prms for each equivalent ratio without time, but also in the graph of FIG. 5, the equivalent ratio φ is h. It can be seen that h, q and Prms have the same tendency as those described in FIG. 4 above.
尚、水平ネットワークエントロピーhh,qのq値は、0より大きい様々な値を設定できるため、今般、発明者らは、水平可視グラフの次数分布から算出される水平ネットワークエントロピーhh,qにおいて、対象データによってqの値を可変に設定する計算を行った。計算結果を図6に示す。
因みに、図6に示す例では、以下の〔数3〕に示す圧力波形のように、正弦波に正規分布乱数を印加した波形から、水平ネットワークエントロピーhh,qを算出した。
条件として、ノイズにはMATLAB関数の「randn」を使用し、サンプル数は、6000Hz×60sとし、パラメータqは、刻み幅0.001として0.001〜10の間で変化させ、pの振幅が一定になるように正弦波とノイズとを入れ替えて、時間の増大に伴ってノイズの時間比率が大きくなる関数y(t)を定義し、計算を行った。
Since the q values of the horizontal network entropy h h and q can be set to various values larger than 0, the inventors have now set the horizontal network entropy h h and q calculated from the order distribution of the horizontal visible graph. , A calculation was performed to set the value of q variably according to the target data. The calculation result is shown in FIG.
Incidentally, in the example shown in FIG. 6, the horizontal network entropy h h and q were calculated from the waveform obtained by applying a normally distributed random number to the sine wave as shown in the pressure waveform shown in [Equation 3] below.
As a condition, the MATLAB function "randn" is used for noise, the number of samples is 6000 Hz x 60 s, the parameter q is changed between 0.001 and 10 with a step size of 0.001, and the amplitude of p is The sine wave and the noise were exchanged so as to be constant, and a function y (t) in which the time ratio of the noise increased as the time increased was defined and calculated.
図6の計算結果から、発明者らは、対象データとしての燃焼器内圧力関連値の波形にノイズが混入する場合に、ノイズの増大に従って、水平ネットワークエントロピーhh,qが反応して増大するq値(0より大きく1.0以下の値で比較的小さいq値)と、ノイズが増大したとしても、水平ネットワークエントロピーhh,qが反応をほとんど示さず変化しないq値(1.0より大きい値で比較的大きいq値)とがあることを見出した。 From the calculation results of FIG. 6, the inventors have found that when noise is mixed in the waveform of the combustor pressure-related value as the target data, the horizontal network entropy h h, q reacts and increases as the noise increases. The q value (a value greater than 0 and less than 1.0, which is relatively small) and the q value (from 1.0) in which the horizontal network entropy h h and q show almost no reaction and do not change even if noise increases. It was found that there is a large value and a relatively large q value).
更に、発明者らは、吹き消えの近傍の燃焼器内圧力関連値のデータには、卓越周波数が存在しないデータがノイズに埋もれることがあるという知見から、吹き消え近傍におけるノイズの水平ネットワークエントロピーhh,qへの影響を抑制するべく、ガスタービンの異常状態としての吹き消えの発生を検知する場合、水平ネットワークエントロピーhh,qのq値を、0より大きく1.0以下の値で比較的小さい値に設定することが好ましいという知見を得た。
これにより、吹き消え近傍におけるノイズの水平ネットワークエントロピーhh,qへの影響を良好に抑制することができる。
一方、ガスタービンの異常状態としての振動燃焼の発生を検知する場合、水平ネットワークエントロピーhh,qのq値を、1.0より大きい値で比較的大きい値に設定する。
これにより、例えば、燃焼振動、吹き消え等といった不安定な物理現象を検知する上で閾値の設定がより容易になるという効果が得られる。
Furthermore, the inventors have found that the data of the pressure-related values in the combustor in the vicinity of the blowout may be buried in the noise because the data in which the dominant frequency does not exist may be buried in the noise. When detecting the occurrence of blowout as an abnormal state of the gas turbine in order to suppress the influence on h and q , the q values of the horizontal network entropy h h and q are compared with values larger than 0 and 1.0 or less. It was found that it is preferable to set the value to a small value.
As a result, the influence of noise on the horizontal network entropy h h and q in the vicinity of the blowout can be satisfactorily suppressed.
On the other hand, when detecting the occurrence of oscillating combustion as an abnormal state of the gas turbine , the q values of the horizontal network entropy h h and q are set to a value larger than 1.0 and a relatively large value.
This has the effect of making it easier to set the threshold value in detecting unstable physical phenomena such as combustion vibration and blowout.
〔別実施形態〕
(1)上記実施形態にあっては、燃焼器内圧力関連値は、ガスタービンの燃焼器内の圧力である例を示した。しかしながら、当該燃焼器内圧力関連値は、OH*の自発光強度であっても構わない。
[Another Embodiment]
(1) In the above embodiment, an example is shown in which the pressure-related value in the combustor is the pressure in the combustor of the gas turbine. However, the pressure-related value in the combustor may be the self-luminous intensity of OH *.
(2)上述した実施形態においては、ガスタービンモデル燃焼器10における燃焼状態を監視する構成について述べたが、これに限定されるものではない。例えば、ジェットエンジンや産業用ガスタービンエンジンに搭載された燃焼器が対象であってもよい。
(2) In the above-described embodiment, the configuration for monitoring the combustion state in the gas
(3)上記実施形態にあっては、異常状態検知部30bの検知に基づいて、燃料流量制御を実行する例を示したが、別に、燃料流量制御を実行しない構成であっても構わない。
(3) In the above embodiment, an example in which the fuel flow rate control is executed based on the detection of the abnormal
(4)水平ネットワークエントロピー導出部30aの演算に使用するために100msec分の圧力に応じた電圧信号をメモリに記憶し、当該メモリの電圧信号を更新しつつ、100msec毎に繰り返し水平ネットワークエントロピーhh,qの導出を行う構成について述べたが、これに限定されるものではない。例えば50msec等、100msec以外の期間の値に基づいて、演算する構成とすることもできる。
(4) A voltage signal corresponding to a pressure of 100 msec is stored in a memory for use in the calculation of the horizontal network
(5)また、上述した実施形態においては、コンピュータにより制御装置30を実現する構成としたが、これに限定されるものではない。例えば、ASIC、FPGA等により燃焼制御処理を実行可能なハードウェアを構成し、これを制御装置としてもよい。また、1つのコンピュータにより制御装置30を構成するのではなく、上述の演算処理を複数のコンピュータによる分散処理で実行する分散システムとしてもよい。
(5) Further, in the above-described embodiment, the
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。 The configuration disclosed in the above embodiment (including another embodiment, the same shall apply hereinafter) can be applied in combination with the configuration disclosed in other embodiments as long as there is no contradiction. The embodiments disclosed in the present specification are examples, and the embodiments of the present invention are not limited thereto, and can be appropriately modified without departing from the object of the present invention.
本発明の異常状態検知装置、及び異常状態検知方法は、比較的シンプルな解析手法で、ガスタービンの不安定な物理現象である異常状態の発生を適切に検知できる異常状態検知装置、及び異常状態検知方法として、有効に利用可能である。 The abnormal state detecting device and the abnormal state detecting method of the present invention are an abnormal state detecting device and an abnormal state that can appropriately detect the occurrence of an abnormal state, which is an unstable physical phenomenon of a gas turbine, by a relatively simple analysis method. It can be effectively used as a detection method.
10 :ガスタービンモデル燃焼器
21 :増幅器
22 :圧力トランスデューサ
30 :制御装置
30a :水平ネットワークエントロピー導出部
30b :異常状態検知部
30c :記憶部
100 :異常状態検知装置
T1 :吹き消え検知閾値
T2 :燃焼振動検知閾値
hh,q :水平可視グラフ法を用いて構築されたネットワークの一般化されたネットワークエントロピー
hv :通常の可視グラフ法を用いて構築されたネットワークのネットワークエントロピー
k :次数
p :圧力
10: Gas turbine model combustor 21: Amplifier 22: Pressure transducer 30:
Claims (5)
前記ガスタービンの燃焼器内の圧力である燃焼器内圧力に関連する燃焼器内圧力関連値を検知する圧力関連値検出手段と、
前記圧力関連値検出手段にて検出された前記燃焼器内圧力関連値の時系列データから水平可視グラフ法によりネットワークを構築し、所定のサンプリング期間にサンプリングされた離散点に基づいて構築される前記ネットワークの次数分布から算出される水平可視グラフ法を用いて構築された前記ネットワークの一般化されたネットワークエントロピーとしての水平ネットワークエントロピーを導出する水平ネットワークエントロピー導出部と、
前記水平ネットワークエントロピー導出部にて逐次導出される前記水平ネットワークエントロピーに基づいて、前記ガスタービンにて前記異常状態が発生するか否かを検知する異常状態検知部とを備え、
前記水平ネットワークエントロピーは、前記水平可視グラフ法を用いて下記の〔数1〕にて定義される水平ネットワークエントロピーhh,qであり、
前記異常状態検知部は、前記水平ネットワークエントロピーhh,qに基づいて、前記ガスタービンにて前記異常状態が発生するか否かを検知する異常状態検知装置。
An abnormal condition detection device that detects the occurrence of abnormal conditions including unstable physical phenomena of gas turbines.
A pressure-related value detecting means for detecting a combustor-in-combustor pressure-related value related to a combustor-in-combustor pressure, which is the pressure in the combustor of the gas turbine, and
The network is constructed by the horizontal visibility graph method from the time series data of the pressure-related values in the combustor detected by the pressure-related value detecting means, and is constructed based on the discrete points sampled in a predetermined sampling period. A horizontal network entropy derivation unit that derives the horizontal network entropy as a generalized network entropy of the network constructed by using the horizontal visibility graph method calculated from the order distribution of the network, and a horizontal network entropy derivation unit.
An abnormal state detecting unit for detecting whether or not the abnormal state occurs in the gas turbine based on the horizontal network entropy sequentially derived by the horizontal network entropy deriving unit is provided.
The horizontal network entropy is the horizontal network entropy h h, q defined by the following [Equation 1] using the horizontal visible graph method.
The abnormal state detecting unit is an abnormal state detecting device that detects whether or not the abnormal state occurs in the gas turbine based on the horizontal network entropy h h, q.
前記異常状態検知部は、前記水平ネットワークエントロピー導出部が導出した前記水平ネットワークエントロピーhh,qが前記吹き消え検知閾値を超えたときに、前記吹き消えが発生すると検知する請求項1に記載の異常状態検知装置。 A storage unit is provided which derives and stores a blowout detection threshold value in advance from the horizontal network entropy calculated from the order distribution in the state immediately before the blowout as the abnormal state of the gas turbine occurs.
The first aspect of claim 1, wherein the abnormal state detecting unit detects that the blowout occurs when the horizontal network entropy h h, q derived by the horizontal network entropy derivation unit exceeds the blowout detection threshold value. Abnormal state detection device.
前記異常状態検知部は、前記水平ネットワークエントロピー導出部が導出した前記水平ネットワークエントロピーhh,qが前記燃焼振動検知閾値を下回ったときに、前記燃焼振動が発生すると検知する請求項1又は2に記載の異常状態検知装置。 Combustion vibration that is a value between the horizontal network entropy h h, q when combustion vibration is generated in the gas turbine and the horizontal network entropy h h, q when stable combustion is generated. It is equipped with a storage unit that derives and stores the detection threshold in advance.
According to claim 1 or 2, the abnormal state detection unit detects that the combustion vibration is generated when the horizontal network entropy h h, q derived by the horizontal network entropy derivation unit falls below the combustion vibration detection threshold value. The described abnormal condition detection device.
前記ガスタービンの前記異常状態としての吹き消えの発生を検知する場合、前記水平ネットワークエントロピーhh,qのq値を0より大きく1.0以下の値に設定し、
前記ガスタービンの前記異常状態としての振動燃焼の発生を検知する場合、前記水平ネットワークエントロピーhh,qのq値を、1.0より大きい値に設定する請求項1〜3の何れか一項に記載の異常状態検知装置。 The abnormal state detection unit
When detecting the occurrence of blowout as the abnormal state of the gas turbine, the q values of the horizontal network entropy h h and q are set to a value larger than 0 and 1.0 or less.
Any one of claims 1 to 3 in which the q values of the horizontal network entropy h h and q are set to a value greater than 1.0 when detecting the occurrence of oscillating combustion as the abnormal state of the gas turbine. Abnormal state detection device described in.
前記ガスタービンの燃焼器内の圧力である燃焼器内圧力に関連する燃焼器内圧力関連値を検知する圧力関連値検出工程と、
前記圧力関連値検出工程にて検出された前記燃焼器内圧力関連値の時系列データから水平可視グラフ法によりネットワークを構築し、所定のサンプリング期間にサンプリングされた離散点に基づいて構築される前記ネットワークの次数分布から算出される水平可視グラフ法を用いて構築された前記ネットワークの一般化されたネットワークエントロピーとしての水平ネットワークエントロピーを導出する水平ネットワークエントロピー導出工程と、
前記水平ネットワークエントロピー導出工程にて逐次導出される前記水平ネットワークエントロピーに基づいて、前記ガスタービンにて前記異常状態が発生するか否かを検知する異常状態検知工程とを実行し、
前記水平ネットワークエントロピーは、前記水平可視グラフ法を用いて下記の〔数1〕にて定義される水平ネットワークエントロピーhh,qであり、
前記異常状態検知工程は、前記水平ネットワークエントロピーhh,qに基づいて、前記ガスタービンにて前記異常状態が発生するか否かを検知する異常状態検知方法。
It is an abnormal state detection method that detects the occurrence of abnormal states including unstable physical phenomena of gas turbines in advance.
A pressure-related value detection step for detecting a combustor pressure-related value related to the combustor pressure, which is the pressure inside the combustor of the gas turbine,
The network is constructed by the horizontal visibility graph method from the time series data of the pressure-related values in the combustor detected in the pressure-related value detection step, and is constructed based on the discrete points sampled in a predetermined sampling period. A horizontal network entropy derivation process for deriving the horizontal network entropy as a generalized network entropy of the network constructed by using the horizontal visibility graph method calculated from the order distribution of the network, and a process for deriving the horizontal network entropy.
Based on the horizontal network entropy sequentially derived in the horizontal network entropy derivation step, an abnormal state detection step of detecting whether or not the abnormal state occurs in the gas turbine is executed.
The horizontal network entropy is the horizontal network entropy h h, q defined by the following [Equation 1] using the horizontal visible graph method.
The abnormal state detection step is an abnormal state detection method for detecting whether or not the abnormal state occurs in the gas turbine based on the horizontal network entropy h h, q.
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