KR102238293B1 - 가스 터빈의 동작 중에 손상을 검출하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 터빈의 동작 중에 손상을 검출하기 위한 방법에 관한 것으로서, 그러한 방법은: 가스 터빈 상의 또는 내의 온도 센서(S_i)의 앙상블의 미리 결정된 샘플링 기간(t_k)에 걸친 개별적인 온도 측정 값(T_i,k)의 평균 값(T_avg,k)을 계산하는 단계;
미리 결정된 샘플링 기간(t_k)에 걸친 평균 값(T_avg,k)과 개별적 온도 측정 값(T_i,k) 사이의 개별적 온도 차이(ΔT_i,k)를 계산하는 단계,
미리 결정된 시간 간격(dt₁)에 걸친 시간적으로 연속적인 샘플링 기간들(t_k)에 대한 개별적인 온도 차이(ΔT_i,k)를 계산하는 단계,
미리 결정된 시간 간격(dt₁) 동안 하나의 온도 센서(S_i)에 할당된 온도 차이(ΔT_i,k)를 온도 차이 간격(dT_i,j)으로 분할함으로써, 제1 분포(D₁)를 편성하는 단계,
제1 분포(D₁)를, 마찬가지로 온도 차이 간격(dT_i,j)으로 분할된 온도 차이(ΔT_i,k)의 제2 분포(D₂)와 비교하는 단계,
비교의 부정적 결과를 기초로 동작 신호를 생성하는 단계를 포함한다.

Description

가스 터빈의 동작 중에 손상을 검출하기 위한 방법

본 발명은 가스 터빈의 동작 중에 손상을 검출하기 위한 방법 및 그러한 가스 터빈에 관한 것이고, 또한 상응 방법을 실행하도록 구성된 제어 장치에 관한 것이다. 가스 터빈의 동작 중에 손상을 검출하기 위한 방법이 이미 US 2004/079070 A1 및 US 2004/086024 A1로부터 공지되어 있다. 터빈용 제어 장치가 예를 들어 US 2012/194667로부터 공지되어 있다.

가스 터빈에서, 다양한 유형의 손상이 열로 인해서 발생될 수 있다. 가스 터빈에서, 예를 들어, 열적으로 가장 크게 부하를 받는 영역인, 소위 고온 가스 영역이 1,600 ℃까지의 온도에 노출된다. 고온 가스 영역 내의, 특히 가스 터빈의 버너 또는 관형 연소 챔버에서의 손상이 있는 경우에, 이러한 손상이 급격히 발생되지 않고 긴 기간에 걸쳐 나타나고 발전되는 것이 종종 관찰될 수 있다.

종종, 가스 터빈 내측의 불균질한 온도 분포가 이러한 열로 인한 손상을 발생시킨다. 가스 터빈에서, 예를 들어, 버너 손상의 경우에, 터빈 블레이드가 매우 강한 교번적인(alternating) 열 부하를 받는데, 이는 그 회전으로 인해서 터빈 블레이드가 버너의 상이한 열 조건들에 노출되기 때문이다. 동작 시간 증가에 따라, 이러한 교번적인 부하는 가스 터빈의 블레이드를 구조적으로 손상시킨다. 교번적인 부하 중에 구성요소 부품이 노출되는 온도차가 클수록, 더 빨리 구성요소 부품이 시효화(age)되고 손상으로 인해서 교체되어야 한다.

교번적인 열 부하뿐만 아니라, 정적 열 응력도, 가스 터빈 내측의 손상된 위치의 근접부에서 재료 파괴(failure)를 초래할 수 있다. 예를 들어, 가스 터빈에서 버너 또는 관형 연소 챔버가 손상되는 경우에, 결과적으로 소위 전이부의 영역 내의 열적 재료 파괴가 종종 관찰될 수 있다. 재료 파괴 전에 전형적으로, 전이부 제공에 이용되는 세라믹 코팅의 손상이 먼저 발생된다. 이러한 세라믹 코팅의 파괴 후에, 결과적인 전이부의 금속 기본 구조물의 파괴가 종종 발생된다. 이러한 구성요소의 바람직하지 못한 열적 부하의 결과로서, 개별적인 구성요소의 미세균열 또는 다른 재료-기술적 손상이 긴 동작 기간에 걸쳐 발생될 수 있다. 그러한 미세균열은 추가적인 동작 시간의 과정 중에 발전되어 거시적 균열을 형성하고, 이를 통해서 예를 들어 저온 냉각 공기가 연소 챔버에 진입할 수 있고, 이는 다시 연소 챔버 온도의 강하를 초래한다. 따라서, 각각 관련된 버너에서의 고온 가스의 낮아진 출구 온도가, 점점 더 약화되는 형태로 모든 터빈 스테이지를 통과한 후에, 국소적으로 전파되나, 가스 터빈의 연도 가스 출구 채널의 영역 내에서 저온 공기 스트림으로서 여전히 측정 기술과 관련하여 상당히 검출될 수 있다.

측정 기술에 의해서 그러한 손상 이벤트를 기록할 수 있도록, 온도 센서들(열전 소자들)이 가스 터빈 내에서 종종 이용되고, 그러한 온도 센서들은 가스 터빈의, 또는 가스 터빈이 포함하는 구성요소의 열적 부하 차이를 기록할 수 있다. 가스 터빈에서, 약 12개 내지 24개의 온도 센서가 연도 가스 출구 채널의 영역 내에서 반경방향으로 분포되고, 그에 따라 극성(polar) 연도 가스 온도 측정을 가능하게 한다. 그러한 열적 손상 이벤트를 기록하기 위해서 이전에 사용되었던 방법은 예를 들어 온도 측정 값의 저역 필터링, 또는 온도 센서에 의해서 기록된 개별 온도 측정 값들의 비교 계산을 필요로 하였다.

그러나, 이러한 경우에, 열로 인한 손상이 충분히 즉각적으로 그리고 신뢰 가능하게 검출될 수 없다는 것이 발견되었고, 그러한 이유로, 확실하고 신뢰 가능한 예측을 실행할 수 있도록, 온도 센서로 측정된 온도 측정 값을 평가할 수 있는 추가적인 방법이 필요하다. 가스 터빈의 운영자를 위해서, 개선된 서비스 조치의 계획 가능성뿐만 아니라, 유지 보수의 이벤트에서 가스 터빈을 턴 오프하는 것에 대한 계획 가능성을 획득할 수 있도록, 그러한 열적 손상을 가능한 한 조기에 검출하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 그러한 가스 터빈의 운영자는, 가스 터빈 내측의 다른 구성요소에 대한 결과적인 손상을 방지할 수 있도록, 전체적인 손상을 방지하기를 원할 것이다.

온도 측정 값을 분석하기 위한 알려진 현재의 평가 방법은, 결과의 때때로 큰 변동성(wide variance)으로 인해서, 신뢰할 수 없고 그에 따라 불충분한 결과만을 제공한다. 결과적으로, 열적 손상이 종종 충분히 조기에 검출될 수 없다. 또한, 기록된 온도 측정 값에서 자연적인 통계적 변동성이 또한 존재하고, 이는 발생 가능한 열적 손상의 추가적인 은폐를 초래할 수 있다.

그에 따라, 종래 기술로부터 알려진 단점을 방지할 수 있는, 추가적인 방법, 또는 그러한 방법을 실행하기 위한 적합한 제어 장치, 또는 상응하는 가스 터빈을 제시할 기술적 필요성이 있다. 특히, 본 발명은, 열적 손상 이벤트의 확실하고 신뢰 가능한 조기 검출을 허용하는, 방법 또는 제어 장치뿐만 아니라 가스 터빈을 제시하기 위한 것이다.

본 발명의 이러한 목적은 제1항에서 청구된 바와 같은 방법에 의해서뿐만 아니라, 제11항에서 청구된 바와 같은 제어 장치 및 제12항에서 청구된 바와 같은 가스 터빈에 의해서 달성된다.

특히, 본 발명의 목적은 가스 터빈의 동작 중에 손상을 검출하기 위한 방법에 의해서 달성되고, 그러한 방법은:

- 가스 터빈 상의 또는 내의 온도 센서의 앙상블(ensemble)의 미리 결정된 샘플링 기간에 걸친 개별적인 온도 측정 값의 평균 값을 계산하는 단계,

- 미리 결정된 샘플링 기간에 걸친 평균 값과 개별적 온도 측정 값 사이의 개별적 온도 차이를 계산하는 단계,

- 미리 결정된 시간 간격에 걸친 시간적으로 연속적인 샘플링 기간들에 대한 개별적인 온도 차이를 계산하는 단계,

- 미리 결정된 시간 간격 동안 하나의 온도 센서에 할당된 온도 차이를 온도 차이 간격으로 분할함으로써, 제1 분포를 편성(compilation)하는 단계,

- 제1 분포를, 마찬가지로 온도 차이 간격으로 분할된 온도 차이의 제2 분포와 비교하는 단계,

- 비교의 부정적 결과(negative outcome)를 기초로 동작 신호를 생성하는 단계를 포함한다.

본 발명의 목적은 개별적인 온도 측정 값의 평균 값의 계산, 개별적 온도 차이의 계산, 제1 분포 및 제2 분포의 편성, 및 제1 분포와 제2 분포의 비교를 실행하는 계산 유닛뿐만 아니라, 비교의 부정적 결과의 이벤트에서 동작 신호를 생성하는 신호 발생 유닛이 포함되는, 전술한 그리고 후술되는 방법을 실행하도록 구성된 제어 장치에 의해서 달성된다.

본 발명의 목적은, 전술한 그리고 후술되는 바와 같은 제어 장치를 포함하는 가스 터빈에 의해서 더 달성된다.

이때, 이러한 분포가 빈도수 분포의 의미로 이해된다는 것이 언급되어야 한다.

이러한 경우에 전술한 샘플링 기간은 역 샘플링 레이트(inverse sampling rate)에 상응하고, 본 경우에, 그러한 역 샘플링 레이트에 따라 온도 차이가 예를 들어 초당 한차례씩 계산된다. 샘플링 기간은, 손상 발생 전까지 가스 터빈이 전형적으로 동작되는 기간보다 짧아야 한다. 다시 말해서, 샘플링 기간은, 한편으로, 가능한 한 양호한 시간 분해능(time resolution)을 달성하기 위해서 충분히 짧아야 하나, 다른 한편으로, 후속하여 시간적으로 또한 중간 저장될 필요가 있는 데이터의 불필요한 기록을 방지하기 위해서 너무 짧지도 않아야 한다. 전형적인 샘플링 기간은 초 내지 분의 범위이다.

본 발명에 따라, 본 시간 간격은 샘플링 기간보다 짧지 않지만, 하나의 경우에, 이들이 심지어 상응할 수 있다. 그러나, 전형적으로, 많은 샘플링 기간이 하나의 시간 간격 내에 놓일 수 있도록, 시간 간격은 훨씬 더 길다. 시간에 걸친 열적 손상의 발전이 충분히 양호하게 관찰될 수 있도록, 시간 간격이 충분히 길게 선택되어야 한다. 전형적인 시간 간격은 일, 주, 또는 심지어 월의 범위이다.

이때, 온도 차이 간격은, 상응하는 분할 이후 분포를 획득하기 위해서, 온도 차이가 값에 따라 분류될 수 있는 수치적 간격의 의미로 이해된다는 것이 언급되어야 한다. 다시 말해서, 온도 차이 간격은 단지 미리 규정된 수치적 범위이고, 그에 의해서 빈도수 분포가 계산되도록 의도된다. 정상 경우에, 수치적 간격들이 인접하고, 그에 따라 하나의 간격이 각각의 온도 차이에 할당될 수 있다. 특히, 계산 기술적인 이유로, 수치적 간격은, 이러한 경우에, 동일 거리로 선택되고, 그에 따라 각각의 경우에 인접 간격은 비슷한(comparable) 간격 길이에 걸쳐 연장된다. 본 가스 터빈에서, 그 간격 폭과 관련하여, 0.1 켈빈(kelvin) 내지 약 4 켈빈에서 인접 간격을 선택하는 것이 유리한 것으로 입증되었다. 결정된 수치적 간격 내의 개별적인 온도 차이의 빈도수가 이어서 후속 계수되고 전체 수의 모든 개체와 비교되는 경우에, 본 분포의 의미에서 빈도수 분포가 용이하게 계산될 수 있다.

본 발명에 따른 가스 터빈에서, 온도 센서는 바람직하게 연도 가스 출구 채널의 영역 내에 배열될 수 있다. 극성 온도 화상을 기록하기 위한, 반경방향 기하형태의 온도 센서의 배열이 또한 바람직하다.

본 발명에 따라, 동작 신호가 비교의 부정적 결과를 기초로 발생되어야 한다. 비교의 결과로부터, 손상 이벤트가 발생되었다는 것, 또는 그러한 손상 이벤트가 임박하였다는 것 그리고 미래에 발생될 것이라는 지식이 얻어질 수 있는 경우에, 부정적인 결과가 존재한다. 이러한 경우에, 특정 한계 값이 전형적으로 미리 결정되어야 하고, 그러한 한계 값을 초과하거나 그에 도달하는 것이 부정적인 결과로서 분류될 수 있다. 그러한 한계 값은 전형적으로 경험적 값의 도움으로 규정된다. 가스 터빈의 문제가 되는 구성요소 부품에 따라, 상이한 한계 값들이 또한 이러한 경우에 미리 결정될 수 있다. 그러한 한계 값의 전체적인 사전 결정은 적절하지 않다.

본 발명에 따라, 2개의 분포의 비교를 기초로 손상 검출이 실행된다. 분포는, 이러한 경우에, 각각의 온도 센서에 대해서 미리 편성되고(compiled), 예를 들어, 개별적인 온도 측정 값의 평균 값으로부터의 개별적인 온도 측정 값의 편차의 시간 변동을 특정할 수 있게 한다. 따라서, 이전에 통상적인 것과 같이, 온도 센서의 개별적인 절대 값을 고려하는 대신, 본 발명에 따라, 미리 결정된 시간 간격에 걸쳐 기록된, 온도 측정 값의 개별적인 분포가 이제 고려된다. 분포의 분해능은, 이러한 경우에, 샘플링 기간에 의해서 결정되고, 요건에 따라 개별적으로 조정될 수 있다.

개별적인 분포의 비교로 인해서, 개별적인 온도 측정 값의 변동성과 관련된 전술한 문제가 이제 감소되는데, 이는 많은 온도 측정 값으로부터 유도된 전체 분포가 비교되기 때문이다. 2개의 분포의 비교가, 이러한 경우에, 다시 상이한 방식으로 실행될 수 있고, 후속 종속항의 청구대상이다. 그러나, 단순한 수치적 계산을 실행한 후에, 분포로부터의 비교가 개별적인 온도 측정 값의 비교보다 훨씬 더 우수하다는 것을 발견하였다.

이어서, 그러한 비교에 의해서, 특정한 부정적 결과가 유도될 수 있다는 것이 밝혀진 경우에, 가스 터빈의 운영자를 위해서 동작 신호가 생성되고, 이는 파워(power) 감소, 영역별 턴 오프, 또는 심지어 전체 가스 터빈의 중단을 수반할 수 있다.

본 발명의 제1의 바람직한 실시예에 따라, 제2 분포는 동일 온도 센서의 온도 차이와 관련되고, 이는 동일한 온도 차이 간격으로 분할되나 상이한 시간 간격 동안 계산되었다. 결과적으로, 온도 센서의 분포의 시간 변동이 그에 따라 추적될 수 있고, 그에 따라 온도 센서의 국소적인 영역 내의 시간 변동에 대한 결론이 도출될 수 있다. 그에 따라, 예를 들어, 제2 분포의 상당한 변화가 시간적으로 후속되는 시간 간격에서 발생되었다는 것이 발견되는 경우에, 이는 부정적 결과의 존재에 관한 표시가 될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 미리 결정된 온도 센서에서, 제2 분포의 변동이 발생되었다는 것이 확정될 수 있고, 그에 따라 예를 들어 연소 챔버 영역 내의 열적 손상이 추정될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따라, 제1 분포와 제2 분포의 비교는, 제1 분포의 최대치와 제2 분포의 최대치의 비교에 의해서 실행된다. 최대치들의 비교는, 이러한 경우에, 비교적 간단하게 가능한데, 이는 단지 개별 수치 값들이 서로 비교될 필요가 있기 때문이다. 그에 따라, 제1 분포 및 제2 분포의 전체 분포 폭을 서로에 대해서 설정할 필요가 없고, 그 대신, 통계적으로 중요한 진술(statement)을 만들 수 있도록, 최대치들의 수치 값들을 서로 비교하는 것 만으로 충분하다. 그에 따라, 계산이 신속하고 단순하게 실행될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따라, 제1 분포와 제2 분포의 비교는, 2개의 시간 간격에 걸친 시간 프로파일을 나타내는 축을 갖는 공통 도표에서 2개의 분포를 플롯팅(plotting)하는 것에 의해서 실행된다. 분포의 프로파일의 도식적으로 표상화된 변화에 의해서, 분포 변화가 손상을 나타내거나 알리는 때를 마찬가지로 식별할 수 있다. 이러한 경우에, 컬러 값 도수 분포도(color value histogram)가 특히 적합하고, 그러한 도수 분포도는, 컬러 값의 도움으로, 수치 값 범위가 식별될 수 있게 하고 그에 따라, 컬러 값의 변화에 의해서, 또한 수치 값의 변화에 관한 결론을 도출할 수 있게 한다. 컬러 값은 시각적으로 용이하게 접근할 수 있는 분포 표상뿐만 아니라, 시간에 걸친 분포 변화의 식별도 허용한다. 그러한 컬러 값 도수 분포도는, 예를 들어, 개별적인 온도 센서에 대해서 가스 터빈의 운영자에게 디스플레이될 수 있고, 그에 따라 운영자는 온도 센서가 피팅된(fitted) 영역을 체크할 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 다른 실시예에 따라, 제1 분포와 제2 분포의 비교는, 제1 분포의 최대치의 위치를 상태 공간(state space)의 경계와 비교하는 것에 의해서 실행되고, 그러한 상태 공간은 제2 분포의 분포 폭으로부터 결정되었다. 그 폭으로 인해서, 제2 분포는 그에 따라 상태 공간 즉, 값 밴드(value band)를 특정하고, 손상되지 않은 가스 터빈의 경우에 제1 최대치는 그러한 상태 공간 내에 있어야 한다. 상태 공간은 이러한 경우에 경험적 값 즉, 시간 간격의 길이에 걸친 측정 값으로부터 얻어지고, 상태 공간은 제2 분포의 분포 폭으로부터 유도된다. 특히, 제2 분포의 3-시그마 폭(three-sigma width)이 상태 공간으로서 이용될 수 있다. 예를 들어 미리 많은 수의 온도 측정 값을 평가함으로써 제2 분포의 분포 폭이 한번 결정되면, 제1 분포의 최대치가 제2 분포의 상태 공간 내에 있는지의 여부를 용이하게 체크할 수 있다. 예를 들어, 제1 분포의 최대치가 제2 분포의 상태 공간의 외측에 위치되는 경우에, 부정적 결과가 있을 수 있다. 이러한 수치적 비교를 실행하는 것은 달성이 비교적 단순하고 용이하다.

본 발명의 다른 양태에 따라, 제1 분포 및/또는 제2 분포는 시간 간격의 모든 샘플링 기간으로부터 누적적으로 계산된다. 누적적 계산은 통계적 중요성을 높이는데, 이는 증가되는 더 많은 분포 값이 각각 이전에 이미 결정된 분포에 부가될 수 있고, 그에 따라 점점 더 정확해지는 분포를 계속적으로 편성할 수 있기 때문이다. 그러나, 그러한 누적적 계산은 비교적 긴 시간 간격의 끝에서 사소한 변화만을 보여주며, 그에 따라 시간 간격은, 임박한 열적 손상의 은폐를 방지하도록, 상응하게 짧게 선택되어야 한다.

대안적으로 또는 심지어 부가적으로, 제1 시간 간격에 걸친 슬라이딩 계산(sliding calculation)에 의해서, 제2 분포가 제1 분포로부터 유도될 수 있다. 그에 따라, 제2 분포는, 제1 시간 간격보다 상응하게 길게 그리고 적어도 부분적으로 그와 중첩되게 제2 시간 간격을 결정하는 것에 의해서, 제1 분포로부터 얻어진다. 슬라이딩 계산의 이러한 형태는 또한, 특히 화면 상의 도식적 표상 및 분포의 연속적인 업데이트의 경우에, 제1 분포의 변동을 기록할 수 있는, 단순한 가능성을 가능하게 한다. 제2 분포가, 즉 제1 시간 간격 동안 또는 그의 부분 동안 여전히 제1 분포와 동일한 경우, 연속되는 슬라이딩 계산 후에, 편차가 발생될 수 있고, 그러한 편차로부터 비교의 부정적 결과가 유도될 수 있다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따라, 제2 분포는 상이한 온도 센서의 온도 차이와 관련되고, 이는 온도 차이 간격으로 분할되나 동일한 시간 간격 동안 계산되었다. 이러한 범위에서, 말하자면, 상이한 온도 센서들이 동일 측정 기간에 걸쳐 동일 평가 방법으로 평가된다. 예를 들어, 온도 센서의 온도 환경이 비교 가능하도록 온도 센서들이 배열되는 경우에, 비교 가능한 분포가 또한 긴 동작 기간에 걸쳐 예측될 것이다. 이는, 일반적인 시효 현상이 이해될 수 있게 한다. 그러나, 특정 시점이 지나서 분포들이 서로로부터 벗어나는 경우에, 이는 손상의 표시일 수 있다. 특히, 열적 측면에서, 기하형태적으로 다른 위치에 그러나 열적으로 동일한 조건에 노출되도록 의도된 온도 센서의 경우에, 그에 따라, 특정 온도 센서와 상호 관련될 수 있는 온도 센서 또는 열적 손상의 부합(match)을 신속하게 결정할 수 있다.

이러한 아이디어의 하나의 개선에 따라, 제1 분포와 제2 분포의 비교는, 제1 분포의 최대치와 제2 분포의 최대치의 비교에 의해서 실행된다. 이미 전술한 바와 같이, 최대치들의 비교는 비교적 단순하게 이루어질 수 있는데, 이는 단지 2개의 수치 값만이 서로 비교될 필요가 있기 때문이다. 그에 따라, 비교를 위한 계산이 비교적 단순하게 달성되고, 마찬가지로 부정적 결과가 이러한 계산으로부터 신속하게 유도될 수 있다.

이러한 접근 방식의 하나의 부가적인 개선에 따라, 최대치들의 비교는 앙상블의 온도 센서의 모든 최대치에 대해서 적용되고, 그에 따라 앙상블로부터의 가장 큰 그리고 가장 작은 최대치 사이의 앙상블 차이가 결정된다. 그에 따라, 모든 온도 센서에 걸친 개별적인 최대치들의 비교에 의해서, 최대의 결정된 온도 차이가 주어지는 온도 변동성 필드를 결정할 수 있다. 개별적인 최대치의 범위로부터, 가스 터빈 내의 온도 센서의 관련 적용 위치가 겪는 교번적인 열적 부하에 대한 크기가 또한 얻어진다. 회전 고온-가스 구성요소 부품의 경우에, 이는 이러한 구성요소 부품의 열적 부하에 관한 결론이 도출될 수 있게 한다. 구체적으로, 회전 고온-가스 구성요소 부품은, 모든 최대치의 범위가 크면 클 수록, 더 큰 교번적인 열적 부하에 연속적으로 노출된다. 다시 말해서, 교번적인 열적 부하는, 가장 큰 최대치가 가장 작은 최대치로부터 보다 크게 벗어나면 벗어날 수록, 더욱 더 커진다.

이하에서 개별적인 도면을 참조하여 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 이러한 경우에, 도면 내의 동일 참조를 가지는 기술적 특징부가 동일한 기술적 기능을 갖는다고 할 수 있다.

마찬가지로, 이하의 도면에서 설명되는 기술적 특징부는, 조합이 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 한, 서로의 임의의 희망 조합으로, 그리고 또한 앞서 제시된 본 발명의 실시예와의 임의의 희망 조합으로 청구될 수 있을 것이다.

또한, 이하의 도면은 단지 계략적인 것이고, 특히 본 발명의 실시 가능성의 어떠한 가능한 제한도 나타내지 않는다는 것을 의미한다.

도 1은 온도 차이 간격(dT_i,j) 내의 미리 결정된 시간 간격에 대한 개별적인 온도 차이 값의 제1 빈도수 분포(D₁)의 도식적 표상을 도시한다.
도 2는, -4.0 K (= dT_Max1)의 온도에서의 빈도수 최대치(Max₁)의 표시와 함께, 도 1에 도시된 제1 빈도수 분포(D₁)의 도식적 표상을 도시한다.
도 3은, 시간(t)에 따라 달라지는 개별적인 분포의 변동의 시간적 표상의 컬러 값 도수 분포도를 도시한다.
도 4는 가스 터빈의 상이한 파워들(P)에 대해서 제2 분포로부터 유도된 상태 공간(Z)과 함께 제1 분포의 제1 빈도수 최대치(Max₁)(또는 Max₁')의 위치의 비율의 도식적 표상을 도시한다.
도 5는, 각각, 미리 결정된 시간 간격에 대한, 온도 센서의 앙상블에 대한 최대치(Max_i)의 변동성의 도시적 표상을 도시한다.
도 6은 도 5에 도시된 바와 같은, 그러나 훨씬 더 작은 범위의, 온도 센서의 앙상블의 온도 센서의 최대치(Max_i)의 변동성의 도식적 표상을 도시한다.
도 7은 가스 터빈의 동작 중에 손상을 검출하기 위한 본 발명에 따른 방법의 일 실시예의 흐름도를 도시한다.

도 1은, 정규화된(normalized), 제1 빈도수 분포(D₁)의 도식적 표상을 도시한다. 그에 따라 세로 좌표는 단위가 없는 상대적인 빈도수(H)에 상응한다. 확인될 수 있는 바와 같이, 빈도수 분포(D₁)는 약 10 K의 분포 폭을 가지고, 명확한 최대치(clear maximum)가 약 -4 K의 차이 온도(dT)에서 형성된다. 제1 분포(D₁)는, 미리 결정된 시간 간격(dt₁)에 걸친 시간적으로 연속적인 샘플링 기간(t_k) 동안 미리 결정된 수의 온도 차이(ΔT_i,k)를 계산하는 것 그리고 상응하게 온도 차이 간격(dT)을 개별적인 수치 간격(dT_i,j)으로 분할하는 것에 의해서 편성되었다. 온도의 상응하는 정규화 및 미리 결정된 0 값에 대한 부합 후에, 표상화된 제1 분포(D₁)가 획득된다.

이때, 선행 및 후행 지수(i 및 m)가 1로부터 해당 앙상블의 온도 센서의 수의 범위라는 것이 언급되어야 한다. 예를 들어 개별적인 센서가 선택된다면, 그러한 지수는, 예를 들어 1 또는 2에 의해서, 명시적으로 표시된다. 지수(k)는 추가적으로 1로부터, 시간 간격(dt) 내의 샘플링 기간의 수까지의 범위를 갖는다. 이는 단지 하나의 샘플링 기간일 수 있거나, 그보다 상당히 더 클 수 있고, 예를 들어 심지어 약 10⁶ 이상일 수 있다. 지수(j)는 분포에 대한 개별적인 온도 차이 간격의 수와 관련된다. 이러한 경우에, 지수(j)는 전형적으로 1 내지 1,000 미만이다.

본 발명에 따른 방법의 일 실시예에 따라, 표상화된 제1 분포(D₁)가 이어서 추가적으로 제2 분포(D₂)와 비교될 수 있고, 제2 분포(D₂)는 마찬가지로 온도 차이 간격(dT)으로 분할된 온도 차이(ΔT_i,k)를 갖는다. 제1 분포(D₁)와 제2 분포(D₂)의 비교 중에 편차가 있는 경우에, 비교의 부정적 결과가 유도될 수 있고, 이를 기초로 동작 신호가 생성되고, 예를 들어 가스 터빈의 운영자에게, 열적 손상 이벤트가 미래에 발생되거나 이미 발생되었다는 것이 통지된다.

도 2는, 도 1에서 이미 표상화된 바와 같이, 그러나 이제 제1 분포(D₁)의 최대치의 표시자와 함께, 제1 분포(D₁)를 도시한다. 온도 값이 0의 값에 부합되었기 때문에, 본 분포는 -4 K의 최대 값(dT_Max1 = Max₁)을 나타낸다. 실시예에 따라, 이러한 최대 값(Max₁)이 제1 분포(D₁)와 제2 분포(D₂)의 추가적인 비교를 위해서 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 예를 들어, 전술한 바와 같이, 2개의 분포(D₁ 및 D₂)의 최대 값(Max₁ 및 Max₂)(=dT_Max2)이 서로 비교될 수 있거나, 최대 값(Max₁)과, 제2 분포(D₂)의 분포 폭으로부터 유도된 상태 공간(Z)의 상응성도 비교될 수 있다.

도 3은 시간 프로파일 내의 개별적인 분포의 컬러 값 도수 분포도를 도시한다. 이러한 경우에, 온도 차이 간격(dT)으로 분할된 분포(D)가 시간(t)에 대해서 플롯팅된다. 시간(t) 자체는 서로를 따르는 개별적인 시간 간격(dt)의 연속적인 표상화에 의해서 주어진다. 통상적으로, 시간 축은 주(week) 단위를 갖는다. 그에 따라, 본 경우는 22주의 총 시간에 걸쳐 온도 차이 간격(dT_i,j)으로 분할된 온도 차이(ΔT_i,k)의 시간 프로파일을 도시한다. 이러한 경우에 시간 간격(dt)은 더 이상 구체화되지 않은 길이를 갖는다. 그러나, 예를 들어 제1 분포(D₁)가 3주의 시간으로 취해진 경우, 분포가 약 +5 K 범위의 최대치를 갖는다는 것이 확인되었다. 예를 들어 5와 1/2 주의 시간에서, 분포(D₁)의 이러한 최대 값의 변화는 부분적 부하에서의 가스 터빈의 상이한 동작 조건에 의해서 설명될 수 있다. 그러나, 열적 손상은 이러한 경우에 배제될 수 있다.

그러나, 분포가 17주의 시간에서의 제2 분포(D₂)의 의미에서 고려되는 경우에, 분포가 더 큰 온도 차이 간격 값(dT_i,j)을 향해서 이동되었다는 것이 확인되었다. 분포의 최대치가 이제 단지 약 7.5 K이다. 가스 터빈 내의 연소 터빈 구성요소에 대한 손상으로 인해서, 이러한 조건이 초래된다. 다시 말해서, 시각적으로 용이하게 식별될 수 있는 변화가 제1 분포(D₁)와 제2 분포(D₂)의 차이로부터 명백하게 확인될 수 있고, 그러한 양 분포는 동일한 온도 차이 간격(dT_i,j) 동안 온도 센서(S_i)의 상이한 온도 차이(ΔT_i,k)의 분할로부터 생성되었다. 2개의 분포(D₁ 및 D₂)의 이러한 편차는 7번째 주 이후 22주까지 아직 증가된다. 22주에서, 해당 가스 터빈의 운영자는 그에 따라, 연소 챔버 내의 고온-가스 구성요소에 대한 손상으로 인한 가스 터빈의 고장을 추정할 수 있다. 그러나, 22주에서의 이러한 손상 이벤트는 16번째 주로부터 이미 알려질 수 있었다. 온도 측정 값의 연속적인 모니터링에 의해서, 또는 본 발명의 범위 내에서 제공된 바와 같은 적절한 평가에 의해서, 미래의 손상 이벤트가 시각적인 도움뿐만 아니라, 계산된 개별적인 분포의 수치적 편차로 용이하게 예측될 수 있다.

도 4는, 제2 분포(D₂)로부터 유도된 분포 폭과의 비교에서의 제1 분포(D₁)의 최대 값(Max₁)(또는 Max₁'), 상태 공간(Z) 사이의 시각적 비교의 도식적 표상을 도시한다. 이러한 경우에, 분포 폭은 가스 터빈의 파워(P)의 함수로서 플롯팅된다. 명백하게 이해될 수 있는 바와 같이, 이러한 분포 폭은 파워 증가와 함께 증가되지 않으나, 더 높은 온도 값을 향해서 선형적으로 이동된다. 이미 앞서 주목한 바와 같이, 가스 터빈의 상이한 부하의 이벤트에서, 상이한 온도들이 또한 연소 중에 발생된다는 것이 알려져 있고, 특히 가스 터빈에서 예를 들어, 특정 동작 방법에 따른 부하 증가 시에 연소 챔버 온도도 변화된다는 것이 알려져 있다.

제1 분포(D₁)의 제1 최대치(Max₁)와 제2 분포(D₂)의 상태 공간(Z)의 비교가 약 215 MW의 파워에서 실행된다. 명백하게 확인될 수 있는 바와 같이, 최대 값(Max₁)은 표시된 상태 공간(Z)의 음영 처리된 영역의 내측에 위치된다. 다시 말해서, 본 경우에 명백하게 도시되지 않았으나 상태 공간의 도움으로 도식적으로 표상화될 수 있는, 제2 분포(D₂)로부터의 제1 분포(D₁)의 편차가 충분히 일치한다. 가스 터빈의 고온-가스 부품에 대한 손상이 그에 따라 실질적으로 배제될 수 있다.

그러나, 예를 들어 다른 제1 분포(D₁)의 최대 값을 나타내도록 의도된, 도면에서 마찬가지로 표상화된 최대 값(Max₁')에서의 상황은 다르다. 용이하게 확인될 수 있는 바와 같이, 이러한 대안적인 최대 값(Max₁')은 회색-음영 처리된 영역 내에 위치되지 않고, 그에 따라 제2 분포(D₂)의 상태 공간(Z) 외측에 놓인다. 이러한 상황은 이제 2개의 분포(D₁ 및 D₂)의 비교의 부정적 결과로서 평가될 수 있고, 동작 신호의 발생으로 이어질 수 있다. 값들의 편차를 기초로, 운영자는 그에 따라, 가능한 열적 손상 이벤트가 발생되었다는 것을 추정할 수 있다.

도 5는 온도 센서(S_i)의 앙상블의 모든 최대치(Max_i)(=dT_Maxi)의 표상을 도시한다. 전체적으로, 24개의 온도 센서(S_i)의 최대치(Max_i)가 표상화되고, 범위는 약 75 K를 포함한다. 그러한 범위는, 미래의 비교를 위한 기준량으로서도 이용될 수 있는, 앙상블 차이(E)에 상응한다.

도시된 최대치에 0-값 부합이 다시 적용되었다는 것, 즉 최대 값이 약 0 K로 펼쳐지는 범위까지 일정 인자만큼 감소되었다는 것이 언급되어야 한다. 이러한 도식 기술적인 단순화는 단지 개선된 표상화를 위해서 이용된다.

도 6은, 도 5와 비교하여, 온도 센서(S_i)의 동일 앙상블의 많은 수의 최대치(Max_i)의 도면을 도시하고, 그 범위는 이제 훨씬 더 좁고 21 K에 위치된다. 2개의 표상의 앙상블 차이(E)의 비교에 의해서, 이제, 문제가 되는 가스 터빈 내의 도 6에 따른 동작 상태에 따라 더 작은 크기의 열적 편차가 있다는 것이 확인될 수 있다. 특히, 이동 또는 회전 구성요소, 예를 들어 회전자를 갖는 가스 터빈에서, 그에 따라, 이동 구성요소가 증가된 또는 더 강한 교번적인 열적 응력에 노출된다는 것이 가정될 수 있다.

도시된 최대치(Max_i)가 예를 들어 가스 터빈의 연도 가스 출구 채널 내에서 반경방향으로 배열되는 온도 센서로부터 유도되는 경우에, 도 5에 따른 더 큰 범위로부터, 특히 회전 터빈 블레이드가 그 이동 중에 더 강한 교번적인 열적 응력를 받는 것으로 추정될 수 있다. 이는 다시, 열적 부하를 받는 구성요소가 더 빠른 시효 프로세스를 적용받고 그에 따라 더 빨리 서비스되거나 교체될 필요가 있다는 것을 추정할 수 있게 한다. 이어서, 예를 들어 동작의 과정에서, 범위가 개별 최대치(Max_i)에서 매우 크게 증가된다는 것 또는 앙상블 차이(E)가 상당히 변화된다는 것이 발견되는 경우에, 이는 부정적 결과로서 평가될 수 있고, 가스 터빈의 운영자에게 서비스 조치가 소정 방식으로 실행되어야 한다는 것이 통지될 수 있다.

도 7은 가스 터빈의 동작 중에 손상을 검출하기 위한 본 발명에 따른 방법의 일 실시예의 흐름도를 도시하고, 그러한 방법은:

- 가스 터빈(1) 상의 또는 내의 온도 센서(S_i)의 앙상블의 미리 결정된 샘플링 기간(t_k)에 걸친 개별적인 온도 측정 값(T_i,k)의 평균 값(T_avg,k)을 계산하는 단계[제1 방법 단계(101)];

- 미리 결정된 샘플링 기간(t_k)에 걸친 평균 값(T_avg,k)과 개별적 온도 측정 값(T_i,k) 사이의 개별적 온도 차이(ΔT_i,k)를 계산하는 단계[제2 방법 단계(102)];

- 미리 결정된 시간 간격(dt₁)에 걸친 시간적으로 연속적인 샘플링 기간들(t_k)에 대한 개별적인 온도 차이(ΔT_i,k)를 계산하는 단계[제3 방법 단계(103)];

- 미리 결정된 시간 간격(dt₁) 동안 하나의 온도 센서(S_i)에 할당된 온도 차이(ΔT_i,k)를 온도 차이 간격(dT_i,j)으로 분할함으로써, 제1 분포(D₁)를 편성하는 단계[제4 방법 단계(104)];

- 제1 분포(D₁)를, 마찬가지로 온도 차이 간격(dT_i,j)으로 분할된 온도 차이(ΔT_i,k)의 제2 분포(D₂)와 비교하는 단계[제5 방법 단계(105)];

- 비교의 부정적 결과를 기초로 동작 신호를 생성하는 단계[제6 방법 단계(106)]를 포함한다.

추가적인 실시예가 종속항에서 발견될 수 있다.

Claims (12)

1. 가스 터빈의 동작 중에 손상을 검출하기 위한 방법이며:
   - 가스 터빈 상의 또는 내의 온도 센서(S_i)의 앙상블의 미리 결정된 샘플링 기간(t_k)에 걸친 개별적인 온도 측정 값(T_i,k)의 평균 값(T_avg,k)을 계산하는 단계,
   - 미리 결정된 샘플링 기간(t_k)에 걸친 평균 값(T_avg,k)과 개별적 온도 측정 값(T_i,k) 사이의 개별적 온도 차이(ΔT_i,k)를 계산하는 단계,
   - 미리 결정된 시간 간격(dt₁)에 걸친 시간적으로 연속적인 샘플링 기간들(t_k)에 대한 개별적인 온도 차이(ΔT_i,k)를 계산하는 단계,
   - 미리 결정된 시간 간격(dt₁) 동안 하나의 온도 센서(S_i)에 할당된 온도 차이(ΔT_i,k)를 온도 차이 간격(dT_i,j)으로 분할함으로써, 모든 샘플링 기간(t_k)에 대해서 누적적으로 계산되는 제1 분포(D₁)를 편성하는 단계,
   - 제1 분포(D₁)를, 미리 결정된 시간 간격 동안 하나의 온도 센서(S_i)에 할당된 온도 차이(ΔT_i,k)를 온도 차이 간격(dT_i,j)으로 분할함으로써 편성된 모든 샘플링 기간(t_k)에 대해서 누적적으로 계산되는 제2 분포(D₂)와 비교하는 단계로서, 제2 분포(D₂)는, 동일한 온도 차이 간격(dT_i,j)으로 분할되나 상이한 시간 간격(dt₂) 동안 계산된, 동일 온도 센서(S_i)의 온도 차이(ΔT_i,k)와 관련되고,
   - 비교의 부정적 결과를 기초로 동작 신호를 생성하는 단계를 포함하는, 가스 터빈의 동작 중에 손상을 검출하기 위한 방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   제1 분포(D₁)와 제2 분포(D₂)의 비교는, 제1 분포(D₁)의 최대치(Max₁)와 제2 분포(D₂)의 최대치(Max₂)의 비교에 의해서 실행되는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈의 동작 중에 손상을 검출하기 위한 방법.
4. 제1항에 있어서,
   제1 분포(D₁)와 제2 분포(D₂)의 비교는, 2개의 시간 간격(dt₁, dt₂)에 걸친 시간 프로파일을 나타내는 축을 갖는 공통 도표에서 2개의 분포(D₁, D₂)를 플롯팅함으로써 실행되고,
   시간 프로파일은 온도 차이 간격(dT_i,j) 및 시간의 2 축에 따른 분포인 것을 특징으로 하는, 가스 터빈의 동작 중에 손상을 검출하기 위한 방법.
5. 제1항에 있어서,
   제1 분포(D₁)와 제2 분포(D₂)의 비교는, 제2 분포(D₂)의 분포 폭으로부터 결정된 상태 공간(Z)의 경계와 제1 분포(D₁)의 최대치(Max₁)의 위치의 비교에 의해서 실행되는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈의 동작 중에 손상을 검출하기 위한 방법.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   제2 분포(D₂)는, 제1 시간 간격(dt₁)에 걸친 슬라이딩 계산에 의해서 제1 분포(D₁)로부터 유도되는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈의 동작 중에 손상을 검출하기 위한 방법.
8. 제1항에 있어서,
   제2 분포(D₂)는, 온도 차이 간격(dT_m,j)으로 분할되나 동일한 시간 간격(dt₁) 동안 계산된, 상이한 온도 센서(S_m)의 온도 차이(ΔT_m,k)와 관련되는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈의 동작 중에 손상을 검출하기 위한 방법.
9. 제8항에 있어서,
   제1 분포(D₁)와 제2 분포(D₂)의 비교는, 제1 분포(D₁)의 최대치(Max₁)와 제2 분포(D₂)의 최대치(Max₂)의 비교에 의해서 실행되는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈의 동작 중에 손상을 검출하기 위한 방법.
10. 제9항에 있어서,
    최대치(Max_i)의 비교는 앙상블의 온도 센서(S_i)의 모든 최대치에 적용되고, 그에 따라 앙상블로부터의 가장 큰 그리고 가장 작은 최대치(Max_i) 사이의 앙상블 차이(E)가 결정되는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈의 동작 중에 손상을 검출하기 위한 방법.
11. 제1항 및 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에서 청구된 바와 같은 방법을 실행하도록 구성된 제어 장치이며, 개별적인 온도 측정 값(T_i,k)의 평균 값(T_avg,k)의 계산, 개별적 온도 차이(ΔT_i,k)의 계산, 제1 분포(D₁) 및 제2 분포(D₂)의 편성, 및 제1 분포(D₁)와 제2 분포(D₂)의 비교를 실행하는 포함된 계산 유닛뿐만 아니라, 비교의 부정적 결과의 이벤트에서 동작 신호를 생성하는 신호 발생 유닛이 포함되는, 제어 장치.
12. 제11항에서 청구된 바와 같은 제어 장치를 포함하는 가스 터빈.

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