KR101328997B1

KR101328997B1 - 연소 불안정 점검 방법

Info

Publication number: KR101328997B1
Application number: KR1020120072068A
Authority: KR
Inventors: 차동진; 송원준
Original assignee: 한밭대학교 산학협력단
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2013-11-14

Abstract

음향 모드에 해당하는 연소 동압 주파수 성분의 음압, 첨도, 및 감쇠 계수를 산출하여 연소 불안정성을 실시간 다차원 점검하는 방법이 제공된다. 연소 불안정 점검 방법은 연소 시 발생하는 연소 동압 신호를 측정하는 단계; 연소 동압 신호에 고속 푸리에 변환을 적용하여 음향 모드 주파수를 결정하는 단계; 연소 동압 신호에 대해 음향 모드 주파수를 중심 주파수로 하는 대역 통과 또는 웨이블렛 필터를 적용하여 음향 모드 주파수 대역에서의 연소 동압 신호를 추출하는 단계; 음향 모드 주파수 대역에서의 연소 동압 신호에 대해 주어진 주기 동안의 RMS 음압 및 감쇠 계수를 계산하는 단계; RMS 음압을 제1 연소 불안정 역치와 비교하는 단계; RMS 음압이 제1 연소 불안정 역치 이상인 경우 연소 불안정이 발생하였다고 판정하는 단계; RMS 음압이 제1 연소 불안정 역치 미만인 경우, 음향 모드 주파수 대역에서의 연소 동압 신호에 대해 주기 동안의 첨도를 계산하는 단계; 첨도가 기준값보다 큰 지의 여부를 판단하는 단계; 첨도가 기준값 보다 클 경우 첨도에 의해 보정된 RMS 음압을 계산하고 제2 연소 불안정 역치와 비교하는 단계; 보정된 RMS 음압이 제1 연소 불안정 역치 보다 클 경우, 연소 불안정이 발생하였다고 판정하는 단계: 감쇠 계수를 제2 연소 불안정 역치와 비교하는 단계; 및 감쇠 계수가 제2 연소 불안정 역치 이하인 경우 연소 불안정이 발생하였다고 판정하는 단계를 포함한다.

Description

연소 불안정 점검 방법{Method of checking combustion instability}

본 발명은 연소기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연소기에서 연소 불안정 현상을 점검하는 방법에 관한 것이다.

연소 불안정 발생 판단을 위해 단일 인자를 사용함으로써 판단 오류 발생에 대한 보완 대책이 전무하다. 연소 불안정 현상의 지표가 되는 복수의 인자들 사이에 존재하는 상호 관계를 무시한다.

특허 등록 번호 제 10-1156168 호에는 연소 기관의 작동 상태가 변경되거나 연소 기관의 노후화에 따른 각종 파라미터가 변경되는 경우에도 능동적으로 연소 불안정 현상을 실시간 제어할 수 있도록 개선된 연소 제어 방법이 개시되어 있다. 하지만, 특허 등록 번호 제 10-1156168 호는 복수의 인자들, 즉 음압, 첨도, 및 감쇠 계수를 기초로 연소 불안정성을 점검할 수 없는 단점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로,음향 모드에 해당하는 연소 동압 주파수 성분의 평균 제곱근 (Root Mean Square; 이하, 'RMS'라 함) 음압, 첨도, 및 감쇠 계수를 산출하여 연소 불안정성을 실시간 다차원 점검하는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연소 불안정 점검 방법은 연소기에서의 연소 시 발생하는 연소 동압 신호를 측정하는 단계; 상기 연소 동압 신호에 고속 푸리에 변환을 적용하여 음향 모드 주파수를 결정하는 단계; 상기 연소 동압 신호에 대해 음향 모드 주파수를 중심 주파수로 하는 대역 통과 필터 또는 웨이블렛 필터를 적용하여 음향 모드 주파수 대역에서의 연소 동압 신호를 추출하는 단계; 상기 음향 모드 주파수 대역에서의 연소 동압 신호에 대해 주어진 주기 동안의 RMS 음압 및 감쇠 계수를 계산하는 단계; 상기 RMS 음압을 제1 연소 불안정 역치와 비교하는 단계; 상기 RMS 음압이 제1 연소 불안정 역치 이상인 경우, 상기 연소기에 연소 불안정이 발생하였다고 판정하는 단계; 상기 RMS 음압이 상기 제1 연소 불안정 역치 미만인 경우, 상기 음향 모드 주파수 대역에서의 연소 동압 신호에 대해 주기 동안의 첨도를 계산하는 단계; 상기 첨도가 기준값보다 큰 지의 여부를 판단하는 단계; 상기 첨도가 상기 기준값 보다 클 경우, 상기 첨도에 의해 보정된 RMS 음압을 계산하고 제2 연소 불안정 역치와 비교하는 단계; 상기 보정된 RMS 음압이 상기 제1 연소 불안정 역치보다 클 경우, 상기 연소기에서 연소 불안정이 발생하였다고 판정하는 단계: 상기 감쇠 계수를 제2 연소 불안정 역치와 비교하는 단계; 및 상기 감쇠 계수가 상기 제2 연소 불안정 역치 이하인 경우, 상기 연소기에 상기 연소 불안정이 발생하였다고 판정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 RMS 음압은 다음 수학식:

에 의해 주어지며, p_rms은 상기 RMS 음압이고, 상기 T는 주기이며, 상기 감쇠 계수는 상기 자기 상관 관계 및 자기 상관 관계 데이터의 이동 평균을 이용하여 얻은 힐버트 변환 값을 기초로 하여 계산하는 것이 바람직하다.

상기 음향 모드 주파수 대역에서의 연소 동압 신호에 대해 주기 동안의 첨도는 다음 수학식:

에 의해 주어지며, 여기서

는 p*(t)의 주기에 대한 평균값이고, n은 1 이상의 정수이고, 상기 기준값은 3인 것이 더욱 바람직하다.

상기 보정된 RMS 음압은 수학식:

에 의해 주어지며, 여기서 p_k는 상기 보정된 RMS 음압이고, 상기 λ는 보정 계수인 것이 가장 바람직하다.

상기 연소 불안정 점검 방법은 상기 보정된 RMS 음압이 상기 제1 연소 불안정 역치 이하인 경우, 상기 첨도가 상기 기준값 이하인 경우, 또는 상기 감쇠 계수가 상기 제2 연소 불안정 역치 보다 큰 경우 상기 연소기의 운전을 계속하는 단계를 더 포함한다.

본 발명은 연소 불안정을 야기하는 인자로 RMS 음압, 첨도 및 감쇠 계수를 선정하여, 다인자 분석을 통해 연소 불안정 발생에 대한 실시간 모니터링이 가능하게 한다. 가우시안 노이즈에 대한 첨도를 기준으로 하여 주어진 신호에 포함된 과도 신호의 강도에 비례하여 음향 모드가 발생하는 주파수 영역에서의 RMS 음압을 보정하도록 한다.

RMS 음압과 감쇠 계수를 동시에 연소 불안정 판단 인자로 사용함으로써 단일 인자 사용으로 인한 판단 오류 발생에 대한 보완 대책을 마련한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연소기에서의 연소 불안정 점검 방법을 설명하는 흐름도이다.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

연소기 내에 발생하는 연소 불안정은 연소기 음향 모드에 해당하는 주파수에서 발생하는 연소 동압의 불안정성에 기인한다.

마이크로폰(도시안됨)을 사용하여 연소기(도시안됨)에서 연소 시 발생하는 연소 동압 신호 p(t)를 측정한다(S202).

상기 연소 동압 신호 p(t)에 고속 푸리에 변환 (fast Fourier transform; 이하 'FFT'라 함)를 적용하여 음향 모드 주파수를 결정한다(S204).

상기 연소 동압 신호 p(t)에 대해 음향 모드 주파수를 중심 주파수로 하는 대역 통과 필터 또는 웨이블렛 필터를 적용하여 음향 모드 주파수 대역에서의 연소 동압 신호 p*(t)를 추출한다(S206).

상기 음향 모드 주파수 대역에서의 연소 동압 신호 p*(t)에 대해 주어진 주기(T) 동안의 RMS 음압 (p_rms)을 계산한다(S208). 상기 RMS 음압 (p_rms)은 다음 수학식 1에 의해 주어진다.

각 업데이트 시간에 t-Tcorr/2 < t < t+Tcorr의 시간 간격으로 자기 상관 관계 데이터의 이동 평균을 상기 음향 모드 주파수 대역에서의 연소 동압 신호 p*(t)로부터 계산한다. 여기서 Tcorr는 데이터의 상관 관계가 추적되는 이동 윈도우이다. 그 후 자기 상관 관계는 0 < t < Tlag의 시간 지연을 통해 결정되며(S210), 아래 수학식 2로 주어진다. 상기 Tlag은 추정된 감쇠 계수가 결정된 자기 상관 관계 시간 지연을 나타낸다.

τ은 0과 자기 상관 관계 시간 지연 간격 사이의 시간 간격이고, C_i(τ)은 τ에서의 자기 상관 관계이다.

그 후, 힐버트 변환 값을 상기 자기 상관 관계 C_i(τ) 및 자기 상관 관계 데이터의 이동 평균을 이용하여 하기 수학식 3에 의해 구한다(S212).

여기서, H_i(τ)는 τ에서의 힐버트 변환 값이다.

그 후, 감쇠 계수(ζ)를 상기 힐버트 변환 값을 이용하여 하기 수학식 4를 이용하여 구한다(S214).

상기 감쇠 계수(ζ)가 작을수록 시간에 따른 신호의 강도가 점진적으로 증가하므로, 감쇠 계수(ζ)과 이에 상응하는 제1 연소 불안정 역치(ζ_th)를 비교한다. (S216).

단계 S216의 비교 결과, ζ≤ζ_th인 경우, 상기 연소기에서 연소 불안정이 발생하였다고 판정한다(S218). 이와는 반대로, ζ>ζ_th인 경우, 상기 연소기의 운전을 계속한다(S220).

한편, 단계 S208 후에, 상기 RMS 음압 (p_rms)을 이에 상응하는 제2 연소 불안정 역치(p_th)와 비교하여(S222), p_rms≥p_th인 경우, 상기 연소기에서 연소 불안정이 발생하였다고 판정한다(S218).

S222의 판단 결과, p_rms<p_th인 경우, 상기 p*(t)에 대해 주기(T) 동안의 첨도(k)를 아래 수학식 5를 사용하여 계산한다(S224).

여기서

는 p*(t)의 주기 T에 대한 평균값이고, n은 1 이상의 정수이고,첨도(k)는 주어진 신호 내에 포함된 과도 신호의 정도를 평가할 수 있는 통계 인자로 정상 상태에 있는 가우시안 노이즈의 경우 k=3이 된다.

단계 S226에서, 상기 첨도(k)가 기준값, 즉 3보다 큰 지의 여부를 판단한다.

단계 S226의 판단 결과 상기 k가 3보다 클 경우, 첨도(k)에 의해 보정된 RMS 음압(p_k)을 다음 수학식 6에 의해 계산한다(S228).

여기서 λ는 보정 계수로 1 이상의 값을 가지며 큰 값을 사용할수록 보수적인 연소 불안정 판정을 하게 된다. 상기 수학식 6의

항은 첨도(k)가 3보다 클 경우에 한해 음향 모드 주파수 대역에서의 연소 동압 신호 p*(t)에 대한 첨도(k)의 크기에 비례하여 RMS 음압을 보정한다. 단계 S226의 판단 결과 상기 k가 3이하인 경우, 상기 연소기의 운전을 계속한다(S220).

단계 S230에서, 보정된 RMS 음압(p_k)이 제2 연소 불안정 역치(p_th) 이상인 지의 여부를 판단한다.

단계 S230의 판단 결과 상기 보정된 RMS 음압(p_k)이 상기 제1 연소 불안정 역치(p_th) 이상인 경우, 상기 연소기에서 연소 불안정이 발생하였다고 판정한다(S218). 이와는 반대로 상기 보정된 RMS 음압(p_k)이 상기 제1 연소 불안정 역치(p_th) 미만인 경우, 상기 연소기의 운전을 계속한다(S220).

상기 사용하는 제1 및 제2 연소 불안정 역치(p_th 및 ζ_th)는 실험을 통해 얻어진 결과로부터 도출하거나 기존에 경험적으로 정립된 값을 사용한다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.

Claims

연소기에서의 연소 시 발생하는 연소 동압 신호를 측정하는 단계;
상기 연소 동압 신호에 고속 푸리에 변환을 적용하여 음향 모드 주파수를 결정하는 단계;
상기 연소 동압 신호에 대해 음향 모드 주파수를 중심 주파수로 하는 대역 통과 필터 또는 웨이블렛 필터를 적용하여 음향 모드 주파수 대역에서의 연소 동압 신호를 추출하는 단계;
상기 음향 모드 주파수 대역에서의 연소 동압 신호에 대해 주어진 주기 동안의 RMS 음압 및 감쇠 계수를 계산하는 단계;
상기 RMS 음압을 제1 연소 불안정 역치와 비교하는 단계;
상기 RMS 음압이 제1 연소 불안정 역치 이상인 경우, 상기 연소기에 연소 불안정이 발생하였다고 판정하는 단계;
상기 RMS 음압이 상기 제1 연소 불안정 역치 미만인 경우, 상기 음향 모드 주파수 대역에서의 연소 동압 신호에 대해 주기 동안의 첨도를 계산하는 단계;
상기 첨도가 기준값보다 큰 지의 여부를 판단하는 단계;
상기 첨도가 상기 기준값 보다 클 경우, 상기 첨도에 의해 보정된 RMS 음압을 계산하고 제2 연소 불안정 역치와 비교하는 단계;
상기 보정된 RMS 음압이 상기 제1 연소 불안정 역치 보다 클 경우, 상기 연소기에서 연소 불안정이 발생하였다고 판정하는 단계:
상기 감쇠 계수를 제2 연소 불안정 역치와 비교하는 단계; 및
상기 감쇠 계수가 상기 제2 연소 불안정 역치 이하인 경우, 상기 연소기에 상기 연소 불안정이 발생하였다고 판정하는 단계를 포함하는 연소 불안정 점검 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 RMS 음압은 다음 수학식:
에 의해 주어지며, p_rms은 상기 RMS 음압이고, 상기 T는 주기인 연소 불안정 점검 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 감쇠 계수는 자기 상관 관계 및 자기 상관 관계 데이터의 이동 평균을 이용하여 얻은 힐버트 변환 값을 기초로 하여 계산하는 연소 불안정 점검 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 음향 모드 주파수 대역에서의 연소 동압 신호에 대해 주기 동안의 첨도는 다음 수학식:
에 의해 주어지며, 여기서
는 p*(t)의 주기에 대한 평균값이고, n은 1 이상의 정수인 연소 불안정 점검 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 기준값은 3인 연소 불안정 점검 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 보정된 RMS 음압은 수학식:
에 의해 주어지며, 여기서 p_k는 상기 보정된 RMS 음압이고, 상기 λ는 보정 계수인 연소 불안정 점검 방법.
청구항 1 내지 청구항 6 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 보정된 RMS 음압이 상기 제1 연소 불안정 역치 이하인 경우, 상기 첨도가 상기 기준값 이하인 경우, 또는 상기 감쇠 계수가 상기 제2 연소 불안정 역치 보다 큰 경우
상기 연소기의 운전을 계속하는 단계를 더 포함하는 연소 불안정 점검 방법.