KR102298687B1 - Gas turbine combustion instability diagnosis system based on spectral rolloff and method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기준 값에 따라 연소 불안정 여부를 판단하여 연소 불안정이 발생하면 이를 알려 가스터빈의 부하를 최소화할 수 있도록 하는 기술을 실현할 수 있는 스펙트럴 롤오프를 기반으로 한 가스터빈 연소불안정 진단 시스템 및 이를 이용한 가스터빈 연소불안정 진단 방법이 개시된다. The present invention provides a gas turbine combustion instability diagnosis system based on a spectral roll-off that can realize a technology to minimize the load on the gas turbine by judging whether combustion instability occurs according to a reference value and notifying the occurrence of combustion instability. Disclosed is a method for diagnosing combustion instability using a gas turbine.

Description

스펙트럴 롤오프를 기반으로 한 가스터빈 연소불안정 진단 시스템 및 이를 이용한 가스터빈 연소불안정 진단 방법{Gas turbine combustion instability diagnosis system based on spectral rolloff and method thereof}Gas turbine combustion instability diagnosis system based on spectral rolloff and method thereof

본 발명은, 가스터빈 연소 시, 연소 불안정을 진단하는 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 연소기 내부에서 측정된 연소 동압을 바탕으로 연소불안정 판별기준값을 제시하여 실시간으로 연소 상태를 확인하고 가스 터빈 연소의 불안정 여부를 빠르고 정확하게 진단할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a technology for diagnosing combustion instability during gas turbine combustion, and more specifically, by presenting a combustion instability determination reference value based on the combustion dynamic pressure measured inside the combustor, confirming the combustion state in real time, and combusting the gas turbine It relates to a technology that enables a quick and accurate diagnosis of instability of

일반적으로, 압축기와 연소기와 터빈과 발전기로 구성되고 압축기로 고압이 된 공기와 열교환기로 고온이 된 연료가스를 연소기로 보내 연소시키고 그 연소 가스에 의해 터빈을 구동한다. In general, it is composed of a compressor, a combustor, a turbine, and a generator, and sends high-pressure air to a compressor and a fuel gas heated to a high temperature by a heat exchanger to the combustor to burn it, and drives the turbine by the combustion gas.

이러한 가스터빈은 연소기에서의 연소 온도가 1500

Figure 112019063946776-pat00001
정도까지 상승하고 내부에서 불안정 연소에 의한 압력 변동이나 화염 위치 변동이 발생해 국부적인 응력 집중이나 열사이클 변동이 발생해, 균열이 발생해 버리는 일이 있다. 연소기에 균열이나 파손이 발생하면, 연소기로 도입되는 공기량이 계획에서 벗어나 연소 이상이 발생하고 발전 효율이 저하하거나 경우에 따라서는 파손편이 터빈에 들어가고 날개를 손상되는 문제가 있다. 따라서 조기에 균열이라든지 다양한 이상을 검출하고자 한다. These gas turbines have a combustion temperature of 1500 in the combustor.
Figure 112019063946776-pat00001
As it rises to a high degree of accuracy, pressure fluctuations and flame position fluctuations due to unstable combustion occur inside, resulting in local stress concentration or thermal cycle fluctuations, which may lead to cracks. When a crack or breakage occurs in the combustor, there is a problem in that the amount of air introduced into the combustor deviates from the plan, combustion abnormality occurs, power generation efficiency is lowered, or in some cases, the broken piece enters the turbine and the blade is damaged. Therefore, we want to detect cracks and various abnormalities at an early stage.

이러한 가스터빈 등의 플랜트의 이상 감시에 대해서는 예를 들면 배기실에 온도 검출기를 설치하고, 설치된 온도 검출기에 의해 얻어진 배기가스 흐름에 직교하는 평면 내의 온도 분포에서 단면 배기 온도 분포의 패턴 특징을 구하여 이상 원인 판정을 하는 가스터빈 연소 감시 장치가 제안되어 있다.For abnormal monitoring of plants such as gas turbines, for example, a temperature detector is installed in the exhaust chamber, and the pattern characteristic of the cross-sectional exhaust temperature distribution is obtained from the temperature distribution in a plane orthogonal to the exhaust gas flow obtained by the installed temperature detector. A gas turbine combustion monitoring device that determines the cause has been proposed.

또한, 연소기에 표면 온도 분포를 검출하는 온도 검출기를 설치하고 이 온도 검출기에 의해 얻어진 표면 온도 분포에 기반하여 연소기의 이상 원인 판정을 하는 가스터빈 연소기 감시 장치가 제안될 수 있다. In addition, a gas turbine combustor monitoring apparatus can be proposed that installs a temperature detector for detecting a surface temperature distribution in the combustor and determines the cause of abnormality in the combustor based on the surface temperature distribution obtained by the temperature detector.

더불어, 가스터빈의 성능 열화나 고장 발생을 정밀하게 검출하기 때문에, 가스터빈 각부의 운전 데이터를 검출하고, 그 검출된 운전 데이터를 표준화해 소정 시간에 걸쳐 샘플링한 후, 그 샘플링된 데이터를 이동평균 처리하여 그 데이터에 기반하여 가스터빈의 운전 상태를 진단하도록 한 가스터빈의 운전 상태 진단 장치 기술이 제시될 수 있다. In addition, in order to precisely detect the performance degradation or failure of the gas turbine, the operation data of each part of the gas turbine is detected, the detected operation data is standardized and sampled over a predetermined period of time, and then the sampled data is used as a moving average. A gas turbine operation state diagnosis device technology that processes and diagnoses the operation state of the gas turbine based on the data may be presented.

그러나 이러한 기술은, 배기실이나 연소기에 마련한 온도 검출기에 의해 얻어진 온도 분포에서 온도 분포 패턴의 특징을 구하고 있기 때문에, 하나의 연소기에 다수의 온도 검출기가 필요하다는 문제점이 있었다.However, this technique has a problem in that a plurality of temperature detectors are required for one combustor because the characteristics of the temperature distribution pattern are obtained from the temperature distribution obtained by the temperature detector provided in the exhaust chamber or the combustor.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 연소기 내부에서 실시간으로 측정되는 연소 동압을 통해 측정된 연소 불안정 판별 인자를 이용하여 가스터빈의 불안정 연소에 의한 압력 변동, 화염 위치 변동으로 인한 국부적인 응력집중, 열 사이클 변동에 따른 균열 등을 미연에 감지할 수 있는 스펙트럴 롤오프를 기반으로 한 가스터빈 연소불안정 진단 시스템 및 이를 이용한 가스터빈 연소불안정 진단 방법을 제공하는 것이다. The problem to be solved in the present invention is to use the combustion instability discriminant factor measured through the combustion dynamic pressure measured in real time inside the combustor. To provide a gas turbine combustion instability diagnosis system based on spectral roll-off that can detect cracks due to cycle fluctuations in advance, and a gas turbine combustion instability diagnosis method using the same.

또한, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 가스터빈 연소 동압의 안정 및 불안정 여부를 기준하는 연소불안정 판별기준값을 통해 실시간으로 연소 상태를 확인할 수 있으며, 보다 정확하게 가스터빈의 연소불안정 발생 여부를 판단함과 동시에 이를 알려 그에 상응하는 조치를 신속하게 취할 수 있도록 하는 스펙트럴 롤오프를 기반으로 한 가스터빈 연소불안정 진단 시스템 및 이를 이용한 가스터빈 연소불안정 진단 방법을 제공하는 것이다. In addition, the problem to be solved in the present invention is that the combustion state can be checked in real time through the combustion instability determination reference value that is based on whether the gas turbine combustion dynamic pressure is stable or unstable, and it is more accurately determined whether the combustion instability of the gas turbine occurs. It is to provide a gas turbine combustion instability diagnosis system based on spectral roll-off that informs this information and enables prompt action to be taken accordingly, and a gas turbine combustion instability diagnosis method using the same.

본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 연소불안정 진단 시스템은, 연소부 내부에 장착되고, 상기 연소부 내부의 연소 동압을 측정하는 동압센서를 포함하는 연소부, 상기 동압센서에서 연소동압신호를 신호처리하고, 상기 연소부의 연소 불안정 여부를 판별하기 위해 연소불안정 판별기준값을 계산하기 위한 동압신호의 시간 주기를 결정하는 민감도 분석을 시행하고, 상기 민감도를 기초로 상기 연소불안정 판별기준값을 계산하는 진단부 및 상기 진단부의 판정에 따라 상기 연소부의 운전을 제어하는 연소제어부를 포함하여 구성될 수 있다. A gas turbine combustion instability diagnosis system according to an embodiment of the present invention is mounted inside the combustion unit and includes a combustion unit including a dynamic pressure sensor for measuring combustion dynamic pressure inside the combustion unit, and signal processing a combustion dynamic pressure signal from the dynamic pressure sensor and a diagnostic unit that performs a sensitivity analysis to determine a time period of a dynamic pressure signal for calculating a combustion instability determination reference value to determine whether the combustion is unstable or not, and calculates the combustion instability determination reference value based on the sensitivity; It may be configured to include a combustion control unit for controlling the operation of the combustion unit according to the determination of the diagnosis unit.

이때, 상기 진단부는, 상기 민감도를 기준으로 상기 동압신호 내 주어진 신호의 스펙트럼의 형태(spectral shape)를 나타내는 정도(Spectral-Rolloff(Sp_Rolloff))를 기초로 하는 상기 연소불안정 판별기준값을 계산할 수 있다. In this case, the diagnostic unit may calculate the combustion instability determination reference value based on a degree (Spectral-Rolloff(Sp_Rolloff)) indicating a spectral shape of a given signal in the dynamic pressure signal based on the sensitivity.

구체적으로, Sp_Rolloff는,

Figure 112019063946776-pat00002
(여기서,
Figure 112019063946776-pat00003
: Rolloff frequency, N: FFT의 결과로 표현 할 수 있는 주파수의 개수(N = 내림[Frame내부에 포함하는 신호의 개수 / 2]))에 의하여 결정할 수 있다. Specifically, Sp_Rolloff is,
Figure 112019063946776-pat00002
(here,
Figure 112019063946776-pat00003
: Rolloff frequency, N: It can be determined by the number of frequencies that can be expressed as a result of FFT (N = rounding down [number of signals included in the frame / 2])).

구체적으로, Sp_Rolloff는, 안정 영역 신호에서의 안정 Sp_Rolloff 및 불안정 영역 신호에서의 불안정 Sp_Rolloff를 포함하고, 상기 안정 Sp_Rolloff는 주어지는 신호에 따라 상기 스펙트럼의 형태를 나태는 정도가 변화하며, 상기 불안정 Sp_Rolloff는 주어지는 신호에 따라 상기 Sp_Rolloff가 균일한 것으로 특징 될 수 있다. Specifically, Sp_Rolloff includes a stable Sp_Rolloff in a stable region signal and an unstable Sp_Rolloff in an unstable region signal, wherein the stable Sp_Rolloff varies in the degree of appearance of the spectrum according to a given signal, and the unstable Sp_Rolloff is According to a signal, the Sp_Rolloff may be characterized as being uniform.

이때, 상기 표준편차 Sp_Rolloff는, 안정 영역 신호에서의 안정 표준편차 Sp_Rolloff 및 불안정 영역 신호에서의 불안정 표준편차 Sp_Rolloff를 포함하고, 상기 진단부는, 상기 안정 표준편차 Sp_Rolloff 및 상기 불안정 표준편차 Sp_Rolloff를 합하여 평균화한 산술평균 Sp_Rolloff를 기초로 상기 연소불안정 판별기준값을 계산할 수 있다. In this case, the standard deviation Sp_Rolloff includes a stable standard deviation Sp_Rolloff in the stable region signal and an unstable standard deviation Sp_Rolloff in the unstable region signal, and the diagnostic unit is an average of the stable standard deviation Sp_Rolloff and the unstable standard deviation Sp_Rolloff. The combustion instability determination reference value may be calculated based on the arithmetic mean Sp_Rolloff.

한편, 상기 진단부는, 상기 Sp_Rolloff를 기초

Figure 112019063946776-pat00004
(여기서, n: Sp_Rolloff의 개수,
Figure 112019063946776-pat00005
: i번째 Sp_Rolloff의 값,
Figure 112019063946776-pat00006
: Sp_Rolloff들의 평균)에 의하여 표준편차 Sp_Rolloff를 결정할 수 있다. On the other hand, the diagnosis unit, based on the Sp_Rolloff
Figure 112019063946776-pat00004
(where n: the number of Sp_Rolloff,
Figure 112019063946776-pat00005
: the value of the i-th Sp_Rolloff,
Figure 112019063946776-pat00006
: The average of Sp_Rolloffs) can determine the standard deviation Sp_Rolloff.

구체적으로, 상기 표준편차 Sp_Rolloff는, 안정 영역 신호에서의 안정 표준편차 Sp_Rolloff 및 불안정 영역 신호에서의 불안정 표준편차 Sp_Rolloff를 포함하고, 상기 진단부는, 상기 안정 표준편차 Sp_Rolloff 및 상기 불안정 표준편차 Sp_Rolloff를 합하여 평균화한 산술평균 Sp_Rolloff를 기초로 상기 연소불안정 판별기준값을 계산할 수 있다. Specifically, the standard deviation Sp_Rolloff includes a stable standard deviation Sp_Rolloff in the stable region signal and an unstable standard deviation Sp_Rolloff in the unstable region signal, and the diagnostic unit adds the stable standard deviation Sp_Rolloff and the unstable standard deviation Sp_Rolloff and averages them. The combustion instability determination reference value may be calculated based on an arithmetic mean Sp_Rolloff.

또한, 진단부는, 상기 연소불안정 판별기준값보다 상기 동압센서에서 측정된 연소동안신호를 기초로 측정한 Sp_Rolloff이 작은 경우, 상기 연소부의 연소가 불안정한 것으로 판단할 수 있다. Also, the diagnostic unit may determine that the combustion of the combustion unit is unstable when Sp_Rolloff measured based on the signal during combustion measured by the dynamic pressure sensor is smaller than the combustion instability determination reference value.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 연소불안정 진단 방법은, 연소부 내부의 연소 동압을 측정하는 단계, 측정된 상기 연소 동압을 신호처리하는 단계, 상기 연소부의 연소 불안정 여부를 판별하기 위해 연소불안정 판별기준값을 계산하기 위한 동압신호의 시간 주기를 결정하는 민감도 분석을 시행하는 단계 및 상기 민감도를 기초로 상기 연소부 내부의 연소불안정 여부를 판단하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. On the other hand, the gas turbine combustion instability diagnosis method according to an embodiment of the present invention comprises the steps of measuring the combustion dynamic pressure inside the combustion unit, signal processing the measured combustion dynamic pressure, and combustion to determine whether the combustion is unstable in the combustion unit. Performing a sensitivity analysis for determining the time period of the dynamic pressure signal for calculating the instability determination reference value and determining whether the combustion instability inside the combustion unit based on the sensitivity can be made.

이때, 민감도 분석을 시행하는 단계는, 하나의 프레임(Frame) 당 분석 가능한 데이터 수를 결정하는 단계, 상기 하나의 프레임마다 상기 민감도를 기준으로 상기 동압신호 내 주어진 신호의 스펙트럼의 형태(spectral shape)를 나타내는 정도(Spectral-Rolloff(Sp_Rolloff))를 계산하는 단계, Sp_Rolloff를 기초로 안정 영역 신호에서의 안정 표준편차 Sp_Rolloff 및 불안정 영역 신호에서의 불안정 표준편차 Sp_Rolloff를 포함하는 표준편차 Sp_Rolloff를 계산하는 단계 및 상기 안정 표준편차 Sp_Rolloff 및 상기 불안정 표준편차 Sp_Rolloff를 합하여 평균화한 산술평균 Sp_Rolloff를 기초로 상기 연소불안정 판별기준값을 계산하는 단계로 이루어질 수 있다. In this case, the step of performing the sensitivity analysis includes determining the number of data that can be analyzed per one frame, and the spectral shape of a given signal in the dynamic pressure signal based on the sensitivity for each frame. calculating a degree representing (Spectral-Rolloff(Sp_Rolloff)), calculating a standard deviation Sp_Rolloff including the stable standard deviation Sp_Rolloff in the stable region signal and the unstable standard deviation Sp_Rolloff in the unstable region signal based on Sp_Rolloff, and and calculating the combustion instability discrimination reference value based on an arithmetic mean Sp_Rolloff obtained by averaging the stable standard deviation Sp_Rolloff and the unstable standard deviation Sp_Rolloff.

여기서, 연소불안정 판별기준값보다 상기 동압센서에서 측정된 연소동안신호를 기초로 측정한 Sp_Rolloff이 작은 경우 상기 연소부의 연소가 불안정한 것으로 판단할 수 있다. Here, when Sp_Rolloff measured based on the signal during combustion measured by the dynamic pressure sensor is smaller than the combustion instability determination reference value, it may be determined that the combustion of the combustion part is unstable.

이때, Sp_Rolloff를 계산하는 단계는,

Figure 112019063946776-pat00007
(여기서,
Figure 112019063946776-pat00008
: Rolloff frequency, N: FFT의 결과로 표현 할 수 있는 주파수의 개수(N = 내림[Frame내부에 포함하는 신호의 개수 / 2]))에 의하여 계산될 수 있다. At this time, the step of calculating Sp_Rolloff is,
Figure 112019063946776-pat00007
(here,
Figure 112019063946776-pat00008
: Rolloff frequency, N: It can be calculated by the number of frequencies that can be expressed as a result of FFT (N = rounding down [number of signals included in the frame / 2])).

특히, 상기 표준편차 Sp_Rolloff를 계산하는 단계는, In particular, calculating the standard deviation Sp_Rolloff comprises:

Figure 112019063946776-pat00009
(여기서, n: Sp_Rolloff의 개수,
Figure 112019063946776-pat00010
: i번째 Sp_Rolloff의 값,
Figure 112019063946776-pat00011
: Sp_Rolloff들의 평균)에 의하여 계산될 수 있다.
Figure 112019063946776-pat00009
(where n: the number of Sp_Rolloff,
Figure 112019063946776-pat00010
: the value of the i-th Sp_Rolloff,
Figure 112019063946776-pat00011
: average of Sp_Rolloffs).

가스터빈에서 이루어지는 연소과정의 연소 불안정 여부를 판단하기 위하여 연소부에서 측정된 연소 동압을 이용하여 연소동압 기준 판별값을 계산하고, 계산된 연소동압 기준판별값에 따라 가스터빈의 연소부에서 연소가 안정하게 이루어지고 있는지 여부를 판단할 수 있는 효과가 있다. In order to determine whether combustion is unstable in the combustion process performed in the gas turbine, the combustion dynamic pressure standard discriminant value is calculated using the combustion dynamic pressure measured in the combustion part, and combustion is It has the effect of determining whether or not it is being performed stably.

특히, 본 발명의 일 실시예의 가스터빈 연소 동압의 불안정 판별 기준값을 통해 실시간으로 연소의 상태를 파악 할 수 있고, 보다 정확하게 가스터빈의 연소불안정 발생 여부를 판단함과 동시에 이를 알려 그에 상응하는 조치를 신속하게 취할 수 있도록 한다.In particular, the state of combustion can be grasped in real time through the instability determination reference value of the gas turbine combustion dynamics of an embodiment of the present invention, and it is determined whether combustion instability of the gas turbine occurs more accurately and at the same time it is notified and corresponding measures are taken. to be taken quickly.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 연소불안정 진단시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1의 영역 A를 확대한 확대도이다.
도 3은 본 발명의 실시예의 롤오프 프리컨시의 도시적 이해를 위한 도면이다.
도 4 (a), (b)는 본 발명의 실시예에 따라 안정한 영역 신호 및 불안정한 영역 신호에서의 신호의 Sp_Rolloff의 이해를 위한 도면이다.
도 5 (a) 내지 도 5 (d)는 Fast Fourier Transform(FFT)와 프레임안의 신호 수의 관계를 도시한 도면이다.
도 6 (a) 내지 도 6 (f)는 프레임 안에 포함된 신호의 수에 따라 분석된 민감도 분석결과를 도시한 도면이다.
도 7은 안정한 영역 신호 및 불안정한 영역 신호에서의 프레임 안에 포함된 신호의 수에 따른 신호의 Sp_Rolloff 값을 측정하기 위한 민감도 분석 결과를 도시한 도면이다.
도 8 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따라 가스터빈 연소불안정 진단시스템의 판별기준값에 따라 안정한 영역 신호와 불안정한 영역 신호에서의 가스터빈 연소부 내의 동압 신호를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 연소불안정 진단시스템을 이용한 연소불안정 진단 과정을 도시한 흐름도이다.1 is a schematic configuration diagram of a gas turbine combustion instability diagnosis system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of an area A of FIG. 1 .
3 is a diagram for illustrative understanding of roll-off preconception according to an embodiment of the present invention.
4 (a) and (b) are diagrams for understanding Sp_Rolloff of a signal in a stable region signal and an unstable region signal according to an embodiment of the present invention.
5 (a) to 5 (d) are diagrams illustrating the relationship between Fast Fourier Transform (FFT) and the number of signals in a frame.
6 (a) to 6 (f) are diagrams illustrating sensitivity analysis results analyzed according to the number of signals included in a frame.
7 is a view showing a sensitivity analysis result for measuring a Sp_Rolloff value of a signal according to the number of signals included in a frame in a stable region signal and an unstable region signal.
8 (a) and (b) are diagrams showing dynamic pressure signals in the gas turbine combustion unit in the stable area signal and the unstable area signal according to the discrimination reference value of the gas turbine combustion instability diagnosis system according to an embodiment of the present invention.
9 is a flowchart illustrating a combustion instability diagnosis process using the gas turbine combustion instability diagnosis system according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 연소불안정 진단시스템의 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1의 영역 A를 확대한 확대도이다. 1 is a schematic configuration diagram of a gas turbine combustion instability diagnosis system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged view of area A of FIG. 1 .

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 연소불안정 진단시스템은 가스터빈과 같은 각종 연소기의 연소불안정을 탐지하고, 이를 활용하여 연소불안정을 감소시켜 가스터빈의 안정적이고 효율적인 운전이 가능할 수 있도록 한다. 이를 위해 가스터빈 연소불안정 진단시스템은, 연소부(10), 측정부(20) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 1 and 2, the gas turbine combustion instability diagnosis system according to an embodiment of the present invention detects combustion instability of various combustors such as a gas turbine, and uses this to reduce combustion instability, thereby stabilizing the gas turbine. and efficient operation. To this end, the gas turbine combustion instability diagnosis system may include a combustion unit 10 , a measurement unit 20 , and the like.

이러한 구성의 가스터빈 연소불안정 진단시스템은 가스터빈 등 각종 연소기의 연소불안정을 탐지하고, 이를 감소시키는 등으로 활용하여 가스터빈의 안정적이고 효율적인 운전이 가능하도록 한다 The gas turbine combustion instability diagnosis system of this configuration detects and reduces combustion instability of various combustors such as gas turbines to enable stable and efficient operation of the gas turbine.

구체적으로 연소부(10)에서는 연소를 위한 압축공기와 연료가 공급될 수 있다. 연소부(10)에서 연소된 가스는 가스터빈을 구동할 수 있는 동력원이 될 수 있다. 이러한 연소부(10) 내에서는 다양한 이유를 동반한 연소불안정이 발생할 수 있다. Specifically, the combustion unit 10 may be supplied with compressed air and fuel for combustion. The gas burned in the combustion unit 10 may be a power source capable of driving the gas turbine. In the combustion unit 10, combustion instability may occur for various reasons.

또한, 연소부(10) 내에는 중공의 연소부 내부에 장착되어 연소부 내부의 연소 동압을 측정하는 동압센서(100)를 포함할 수 있다. 이러한 동압센서(100)는 연소부(10) 내에 장착되는 예를 들어 설명하지만, 연소부(10)와 연결되는 도관을 통해 연결할 수도 있다. 동압센서(100)는 연소부(10) 내부의 연소불안정을 측정하기 위한 것으로 연소 시, 연소부(10) 내부의 진동과 공진현상을 측정할 수 있다. In addition, the combustion unit 10 may include a dynamic pressure sensor 100 mounted inside the hollow combustion unit to measure the combustion dynamic pressure inside the combustion unit. Although the dynamic pressure sensor 100 is described as an example mounted in the combustion unit 10 , it may be connected through a conduit connected to the combustion unit 10 . The dynamic pressure sensor 100 is for measuring combustion instability inside the combustion unit 10 , and may measure vibration and resonance phenomena inside the combustion unit 10 during combustion.

구체적으로 동압센서(100)는 연소부(10) 내부의 동적압력을 측정할 수 있는 센서가 될 수 있다. 또한, 연소부(10)는 동압센서(100)와 인접하게 연소부(10)의 연소 과정에서의 동압신호를 측정하는 압력센서(120)와, 압력센서(120)에서 발생한 신호를 측정하는 측정부(20) 등을 포함할 수 있다. Specifically, the dynamic pressure sensor 100 may be a sensor capable of measuring the dynamic pressure inside the combustion unit 10 . In addition, the combustion unit 10 is adjacent to the dynamic pressure sensor 100 and a pressure sensor 120 for measuring a dynamic pressure signal in the combustion process of the combustion unit 10, and a measurement for measuring a signal generated from the pressure sensor 120 part 20 and the like.

이러한 동압센서(100)를 통해 측정되는 연소부(10) 내부의 연소불안정은 일종의 공진현상이라 할 수 있다. 공진 주파수 성분에 대해 응답이 다른 주파수 성분이 지배적으로 커지는 현상을 의미한다.The combustion instability inside the combustion unit 10 measured by the dynamic pressure sensor 100 may be a kind of resonance phenomenon. It refers to a phenomenon in which a frequency component having a different response to a resonant frequency component becomes dominantly large.

연소부(10)의 연소 과정에서 발생한 동압신호는 측정부(20)로 전송될 수 있다. 전송된 동압신호는 연소 과정이 불안정 또는 안정한지 여부를 확인할 수 있는 데이터로 사용될 수 있다. The dynamic pressure signal generated in the combustion process of the combustion unit 10 may be transmitted to the measurement unit 20 . The transmitted dynamic pressure signal can be used as data to check whether the combustion process is unstable or stable.

구체적으로, 측정부(20)에서는 동압센서(100)에서 측정된 연소 동압에 따른 연소동압신호를 신호처리하여 연소동압신호에 포함된 복수의 주파수를 포함하는 특정 프레임 신호의 개수를 결정하는 민감도를 분석할 수 있다. 분석된 민감도는 연소불안정 판별기준값의 기초가 될 수 있다. Specifically, the measurement unit 20 signal-processes a combustion dynamic pressure signal according to the combustion dynamic pressure measured by the dynamic pressure sensor 100 to determine the sensitivity of determining the number of specific frame signals including a plurality of frequencies included in the combustion dynamic pressure signal. can be analyzed. The analyzed sensitivity can be the basis of the combustion instability criterion value.

이를 위해 측정부(20)는 민감도 분석부(22) 진단부(24), 연소제어부(26) 등을 포함하여 구성될 수 있다. To this end, the measurement unit 20 may include a sensitivity analysis unit 22 , a diagnosis unit 24 , a combustion control unit 26 , and the like.

민감도 분석부(22)는 측정된 연소동압신호의 민감도를 분석하는 구성이다. The sensitivity analysis unit 22 is configured to analyze the sensitivity of the measured combustion dynamics signal.

민감도란, 연소부 내부에서 측정된 연소 동압을 바탕으로, 한번의 실행으로 연소불안정 판별인자를 계산할 때 이용되는 신호의 개수에 따라 판별인자의 수치가 바뀌는 정도를 의미한다. 구체적으로, 연소불안정 판별인자의 구체적인 판별 기준 값을 제시하기 위해 시행하는 과정이 민감도 분석이라 할 수 있다.Sensitivity refers to the degree to which the numerical value of the discriminant factor changes according to the number of signals used when calculating the combustion instability discriminant factor in one execution based on the combustion dynamic pressure measured inside the combustion unit. Specifically, sensitivity analysis is a process performed to present specific discriminant reference values of combustion instability discriminant factors.

민감도 분석에 의해 특정 신호에서 원하는 정보를 얻고자 할 때, 특정 시간 길이를 갖는 프레임만 선택하여 계산할 수 있으며, 민감도 분석으로 인해, 연소불안정 판별인자의 판별값을 구체화할 수 있다. 또한, 특정 시간 길이만 갖는 프레임만 선택하여 민감도 분석이 이루어지게 되므로, 한 번의 계산에서 사용되는 데이터 수가 선정되기 때문에 계산되는 기준값(연소불안정 기준값)이 명확히 될 수 있다. When desired information is obtained from a specific signal by sensitivity analysis, only a frame having a specific time length can be selected and calculated, and due to the sensitivity analysis, the discriminant value of the combustion instability discriminant can be specified. In addition, since sensitivity analysis is performed by selecting only frames having a specific time length, the calculated reference value (combustion instability reference value) can be clarified because the number of data used in one calculation is selected.

따라서, 민감도 분석을 통해 계산되는 연소불안정 판별인자를 통하여 연소 상태를 즉각적으로 판단 할 수 있다. 이러한 연소 상태는 진단부(24)에서 이루어질 수 있다. Therefore, it is possible to immediately determine the combustion state through the combustion instability discriminant factor calculated through sensitivity analysis. Such a combustion state may be made in the diagnosis unit 24 .

즉, 진단부(24)는 민감도 분석부(22)에서 분석된 민감도를 기초로 계산된 연소불안정 판별기준값과 측정된 연소동압신호에서의 측정값을 비교하여 연소부(10)의 연소가 안정/불안정 상태인지를 진단하는 구성이 될 수 있다. That is, the diagnosis unit 24 compares the combustion instability determination reference value calculated based on the sensitivity analyzed by the sensitivity analysis unit 22 with the measured value in the measured combustion dynamic pressure signal to ensure that the combustion of the combustion unit 10 is stable / It may be a configuration for diagnosing whether it is in an unstable state.

이러한 민감도 분석은 신호의 개수가 작을수록 한 번의 계산에서 사용되는 데이터 수가 줄어들어 연산량이 줄어들고, 시계열의 분해능이 향상될 수 있다. 따라서, 민감도 분석을 위해 신호의 개수가 작으면서, 연소의 안정/불안정의 판별 기준값 차이를 크게 하는 신호의 개수를 정해야 한다.In this sensitivity analysis, as the number of signals decreases, the number of data used in one calculation may decrease, thereby reducing the amount of computation and improving time series resolution. Therefore, for sensitivity analysis, it is necessary to determine the number of signals that increase the difference between the reference values of the combustion stability/instability while the number of signals is small.

예를 들어, 가스터빈 내부의 동압센서(100)가 10kHz로 동압 신호를 측정하고, 측정된 신호의 전체 영역이 1초라고 가정할 경우, 계산할 신호의 특정 길이는 0.001~0.1(10개 ~ 1000개의 측정 데이터)초가 될 수 있다. 즉, 1초의 길이를 갖는 데이터를 이용하여 계산할 때, 전체 영역을 이용한 계산 결과는 1초에 1번 얻을 수 있지만 특정 길이로 잘라서 계산 할 경우 1초에 여러 번의 결과를 얻을 수 있게 된다는 효과가 있다. For example, assuming that the dynamic pressure sensor 100 inside the gas turbine measures a dynamic pressure signal at 10 kHz and the total area of the measured signal is 1 second, the specific length of the signal to be calculated is 0.001 to 0.1 (10 to 1000). measured data) in seconds. That is, when calculating using data having a length of 1 second, the calculation result using the entire area can be obtained once per second, but when calculating by cutting to a specific length, there is an effect that multiple results can be obtained per second. .

이때, 특정 길이를 선정하기 위해 고려해야 할 것은 특정 프레임 내에 충분한 주파수가 포함되어 있는지 여부이다. 구체적으로, 연소부(10)의 연소가 안정/불안정 상태인지 여부를 판단하기 위한 기준값의 차이가 최대화되는지 고려해야 하는 것이다. In this case, what should be considered in order to select a specific length is whether a sufficient frequency is included in a specific frame. Specifically, it is necessary to consider whether the difference between the reference values for determining whether the combustion of the combustion unit 10 is in a stable/unstable state is maximized.

이렇게 진단된 연소 상태에 따라 불안정한 연소가 이루어진다고 판단되면 연소제어부(26)에서 연소부(10)의 연소를 제어할 수 있게 된다. If it is determined that unstable combustion occurs according to the diagnosed combustion state, the combustion control unit 26 can control the combustion of the combustion unit 10 .

이러한 특징의 민감도 분석의 구체적인 실시예를 이하 도면을 참고하여 구체적으로 살펴보기로 한다. A detailed example of the sensitivity analysis of these characteristics will be described in detail with reference to the drawings below.

도 3은 본 발명의 실시예의 롤오프 프리컨시의 형태를 나타내는 정도의 도시적 이해를 위한 도면이고, 도 4 (a), (b)는 본 발명의 실시예에 따라 안정한 영역 신호 및 불안정한 영역 신호에서의 신호의 Sp_Rolloff의 이해를 위한 도면이고, Fast Fourier Transform(FFT)와 프레임안의 신호 수의 관계를 도시한 도면이며, 도 6 (a) 내지 도 6 (f)는 프레임 안에 포함된 신호의 수에 따라 분석된 민감도 분석결과를 도시한 도면이며, 도 7은 안정한 영역 신호 및 불안정한 영역 신호에서의 프레임 안에 포함된 신호의 수에 따른 신호의 Sp_Rolloff 값을 측정하기 위한 민감도 분석 결과를 도시한 도면이다. 3 is a diagram for illustrative understanding of the degree of showing the form of roll-off preconception according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 4 (a) and (b) are a stable region signal and an unstable region signal according to an embodiment of the present invention. It is a diagram for understanding Sp_Rolloff of signals in , and is a diagram illustrating the relationship between Fast Fourier Transform (FFT) and the number of signals in a frame, and FIGS. 6 (a) to 6 (f) are the number of signals included in a frame It is a view showing the sensitivity analysis result analyzed according to , and FIG. 7 is a view showing the sensitivity analysis result for measuring the Sp_Rolloff value of the signal according to the number of signals included in the frame in the stable region signal and the unstable region signal. .

도면 설명에 앞서, 연소기 내부의 동압 신호를 측정할 때, 측정되는 상황에 따라 직류 성분(주파수가 0인 성분)을 포함할 수 있다. 이러한 직류 성분이 포함된 신호는 민감도 분석을 위한 전처리 과정에서 일관된 결과를 도출할 수 없게 하거나, 결과를 변화시키는 요인으로 작용한다. 따라서, 민감도 분석을 위해서 측정된 연소기 내부의 동압 신호의 직류 성분을 제거해야 한다. Prior to the description of the drawings, when measuring the dynamic pressure signal inside the combustor, it may include a DC component (a component having a frequency of 0) depending on the measurement situation. Signals containing such a DC component make it impossible to derive consistent results in the preprocessing process for sensitivity analysis, or act as a factor that changes the results. Therefore, it is necessary to remove the DC component of the measured dynamic pressure signal inside the combustor for sensitivity analysis.

직류 성분을 제거한 동압 신호는 스펙트럼의 방향을 나타내는 방법을 이용하여 연소불안정 판별기준값을 계산하게 된다. 구체적으로, 측정부(20)에서 동압신호의 시간 주기를 결정하는 민감도를 기준으로 동압신호 내 주어진 신호의 스펙트럼의 형태(spectral shape)를 나타내는 정도(Spectral-Rolloff(Sp_Rolloff))를 기초로 하는 연소불안정 판별기준값을 계산하게 된다. For the dynamic pressure signal from which the DC component is removed, the combustion instability determination standard value is calculated using a method indicating the direction of the spectrum. Specifically, combustion based on the degree (Spectral-Rolloff(Sp_Rolloff)) indicating the spectral shape of a given signal in the dynamic pressure signal based on the sensitivity for determining the time period of the dynamic pressure signal in the measurement unit 20 The instability criterion value is calculated.

구체적으로 살펴보면, 우선 동압센서(100)에서 측정되어 주어진 연소동압신호는 Fast Fourier Transform(FFT_이하 FFT)을 이용하여 분석한다. FFT란, 주어진 신호가 주기적이라는 가정 하에

Figure 112019063946776-pat00012
(단, F: Fourier matrix, y: 입력값, c: 주파수 성분)를 이용하여 신호가 갖는 주파수를 분석할 수 있는 계산식이다. In detail, first, the combustion dynamics signal measured by the dynamic pressure sensor 100 and given is analyzed using Fast Fourier Transform (FFT_hereinafter FFT). FFT is based on the assumption that a given signal is periodic.
Figure 112019063946776-pat00012
(However, F: Fourier matrix, y: input value, c: frequency component) is a calculation formula that can analyze the frequency of a signal.

이러한 FFT를 이용하여 연소동압신호를 분석한 연소동압신호는 롤오프 프리컨시(Roll-off frequency)를 측정한다. 롤오프 프리컨시란, 시스템　또는 부품의 진폭,　주파수 특성에서 그 평탄부를 넘어서　주파수가 높은 쪽으로(혹은 낮은 쪽으로) 변화했을 때 진폭이 서서히 작게 감쇠해 가는 것을 의미한다. The combustion dynamics signal obtained by analyzing the combustion dynamics signal using this FFT measures the roll-off frequency. Roll-off preconceived means that when the amplitude and frequency characteristics of a system or component go over the flat part and the frequency changes to a higher (or lower) side, the amplitude gradually attenuates small.

구체적으로 도 3 및 하기의 식을 참고하면, 모든 주파수에 대한 주파수 크기 제곱의 합을 구한다(=

Figure 112019063946776-pat00013
). 이후, 낮은 주파수의 크기 제곱을 더해가며 0.85*
Figure 112019063946776-pat00014
보다 같거나 커질 때의 가장 낮은 주파수를 찾게 된다(
Figure 112019063946776-pat00015
).Specifically, referring to FIG. 3 and the following equation, the sum of the frequency magnitude squares for all frequencies is obtained (=
Figure 112019063946776-pat00013
). Then, by adding the magnitude squares of the lower frequencies, 0.85*
Figure 112019063946776-pat00014
It finds the lowest frequency when it is equal to or greater than (
Figure 112019063946776-pat00015
).

Figure 112019063946776-pat00016
(식 1)
Figure 112019063946776-pat00016
(Equation 1)

여기서,

Figure 112019063946776-pat00017
는 i번째 주파수 성분의 크기이고,
Figure 112019063946776-pat00018
는 sampling frequency 를 의미한다. here,
Figure 112019063946776-pat00017
is the magnitude of the i-th frequency component,
Figure 112019063946776-pat00018
is the sampling frequency.

이러한 롤오프 프리컨시를 통해 측정된 연소동압신호의 특징을 살펴보면, 안정 영역 신호의 연소동압신호의 경우 랜덤 노이즈(Random noise) 형태의 파형을 나타낸다. 즉, 안정 영역 신호의 연소동압신호는 여러 크기의 주파수를 갖는 특성이 있다. Looking at the characteristics of the combustion dynamics signal measured through the roll-off preconciliation, the combustion dynamics signal of the stable region signal shows a waveform in the form of a random noise. That is, the combustion dynamics signal of the stable region signal has a characteristic having a frequency of several magnitudes.

이에 반해, 불안정 영역 신호의 연소동압신호의 경우 높은 수준의 가진되는 공진 주파수와 일치하는 형태의 파형을 나타낸다. 즉 불안정 영역 신호의 연소동압신호는 가진되는 공진주파수에서 크기를 갖는 특성이 있다. On the other hand, in the case of the combustion dynamics signal of the unstable region signal, a waveform having a shape consistent with the high-level excitation resonant frequency is shown. That is, the combustion dynamics signal of the unstable region signal has a characteristic having a magnitude at the excitation resonant frequency.

이러한 특징을 기초로 안정 영역 신호에서의 연소동압신호의 프레임 길이에 따라 롤오프 프리컨시를 측정한 뒤, 연소불안정 판별인자인 스펙트럼의 형태(spectral shape)를 나타내는 정도(Spectral-Rolloff(이하 Sp_Rolloff))를 계산하게 된다. Based on these characteristics, the roll-off preconciency is measured according to the frame length of the combustion dynamics signal in the stable region signal, and the degree of representing the spectral shape, which is the combustion instability discriminating factor (Spectral-Rolloff (hereinafter Sp_Rolloff)) ) will be calculated.

즉, Sp_Rolloff는 That is, Sp_Rolloff is

Figure 112019063946776-pat00019
(식 2)
Figure 112019063946776-pat00019
(Equation 2)

를 통해 계산될 수 있다. 여기서,

Figure 112019063946776-pat00020
: Rolloff frequency, N: FFT의 결과로 표현 할 수 있는 주파수의 개수(N = 내림[Frame내부에 포함하는 신호의 개수 / 2]이다. can be calculated through here,
Figure 112019063946776-pat00020
: Rolloff frequency, N: The number of frequencies that can be expressed as a result of FFT (N = rounding down [the number of signals included in the frame / 2]).

계산된 Sp_Rolloff는 안정 영역 신호에서의 Sp_Rolloff와 불안정 영역 신호에서의 Sp_Rolloff를 포함할 수 있다. 구체적으로, 도 4의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이 안정 Sp_Rolloff는 주어지는 신호에 따라 바뀌는 특징이 있다. 반면, 불안정 Sp_Rolloff는 주어진 신호에 관계없이 항상 균일한 것을 알 수 있다. The calculated Sp_Rolloff may include Sp_Rolloff in the stable region signal and Sp_Rolloff in the unstable region signal. Specifically, as shown in (a) and (b) of FIG. 4, the stable Sp_Rolloff has a characteristic that changes according to a given signal. On the other hand, it can be seen that the unstable Sp_Rolloff is always uniform regardless of the given signal.

따라서, 안정 영역 신호 및 불안정 영역 신호에서 나타나는 Sp_Rolloff는 연소기가 안정 영역 신호 및 불안정 영역 신호인지를 구분할 수 있는 인자가 될 수 있다. 특히, 앞서 설명된 (식 1) 및 (식 2)를 통해 불안정 영역의 신호는 가진되는 공진 주파수와 일치하므로, 불안정 영역의 신호에서는 공진 주파수에 해당하는 주파수는 롤오프 프리컨시라고 할 수 있다. Accordingly, Sp_Rolloff appearing in the stable region signal and the unstable region signal may be a factor for discriminating whether the combustor is a stable region signal and an unstable region signal. In particular, since the signal in the unstable region coincides with the excitation resonant frequency through (Equation 1) and (Equation 2) described above, the frequency corresponding to the resonant frequency in the signal in the unstable region can be referred to as a roll-off preconception.

앞서 설명한 바와 같이, 민감도 분석이란 연소불안정 판별인자의 구체적인 판별 기준 값을 제시하기 위해 시행하는 과정이다. As described above, sensitivity analysis is a process performed to present a specific criterion value of the combustion instability discriminant.

본 발명의 실시예의 연소불안정 판별인자의 판별기준값은 신호의 스펙트럼 형태 정도(Spectral-Rolloff(Sp_Rolloff))에 기초한다고 하였으며, 신호의 스펙트럼 형태 정도는 주파수 영역에서 미세한 변화를 감지하는 인자가 될 수 있다. 이러한 신호의 스펙트럼 형태 정도를 이용하여 연소 불안정을 판단하기 위해서는 신호가 갖는 주파수 성분들을 모두 표현할 수 있어야 한다. It was said that the reference value of the combustion instability discrimination factor of the embodiment of the present invention is based on the spectral shape degree of the signal (Spectral-Rolloff(Sp_Rolloff)), and the spectral shape degree of the signal can be a factor for detecting minute changes in the frequency domain. . In order to determine combustion instability using the spectral shape of the signal, it is necessary to express all the frequency components of the signal.

이를 위해 연소불안정 판별인자로 제시된 Sp_Rolloff를 FFT을 이용하여 분석한다. Sp_Rolloff의 FFT 결과에 따르면, 프레임 안의 신호 수에 따라 표현할 수 있는 주파수의 개수가 결정되게 된다. For this purpose, Sp_Rolloff presented as a combustion instability discriminant is analyzed using FFT. According to the FFT result of Sp_Rolloff, the number of frequencies that can be expressed is determined according to the number of signals in a frame.

구체적으로 도 5 (a) 내지 도 5 (d)를 참고하면, 각 프레임 안에 포함되는 신호의 수는 5, 10, 20, 40으로 각 프레임 안에 몇 개의 신호를 포함하는지에 따라FFT의 결과가 달라지는 것을 나타내고 있다. Specifically, referring to FIGS. 5 (a) to 5 (d), the number of signals included in each frame is 5, 10, 20, 40, and the result of the FFT varies depending on how many signals are included in each frame. indicates that

즉, 도 5 (a)에 도시된 바와 같이, 프레임 안에 5개의 신호를 포함하는 경우, 신호가 갖는 주파수를 모두 표현하지 못하는 것을 알 수 있다. 이에 반해 도 5 (c) 에 도시된 바와 같이 프레임 안에 20개의 신호가 포함되는 경우 신호가 갖는 주파수가 대체적으로 표현되는 것을 알 수 있다. That is, as shown in FIG. 5A , when five signals are included in a frame, it can be seen that all frequencies of the signals cannot be expressed. On the other hand, as shown in FIG. 5(c) , when 20 signals are included in the frame, it can be seen that the frequency of the signals is generally expressed.

이를 바탕으로 신호에 포함된 주파수를 충분히 표현하기 위해서는 그 크기가 0에 가까운 주파수들이 표현되는 프레임 안의 신호의 수를 결정 하는 것이다. Based on this, in order to sufficiently express the frequency included in the signal, the number of signals in the frame in which the frequencies close to 0 are expressed is determined.

또한, 도 6 (a)에 도시된 바와 같이, 프레임 안에 포함된 신호의 수가 10개인 조건의 분석된 민감도 분석결과는 연소 불안정을 판단하기 위해 신호가 갖는 주파수 성분이 충분히 표현되지 않았음을 알 수 있다. In addition, as shown in Fig. 6 (a), the analyzed sensitivity analysis result of the condition that the number of signals included in the frame is 10 shows that the frequency component of the signal is not sufficiently expressed to determine combustion instability. have.

이에 반해, 도 6의 (b) 내지 도 6의 (f)에 도시된 바와 같이 프레임 안에 포함된 신호의 수가 20개 이상의 조건의 분석된 민감도 분석결과는 연소 불안정을 판단하기 위해 신호가 갖는 주파수 성분이 표현되고 있음을 알 수 있다. On the other hand, as shown in FIGS. 6 (b) to 6 (f), the analysis result of the sensitivity analysis under the condition that the number of signals included in the frame is 20 or more is the frequency component of the signal to determine combustion instability. It can be seen that this is expressed.

이러한 특징을 기초로, 안정한 영역 신호 및 불안정한 영역 신호에서의 프레임 안에 포함된 신호의 수에 따라 각각 민감도 분석이 실행되게 된다. Based on these characteristics, sensitivity analysis is performed according to the number of signals included in a frame in the stable region signal and the unstable region signal, respectively.

즉 도 7를 살펴보면, 안정한 영역 신호 및 불안정한 영역 신호의 프레임 안에 몇 개의 신호를 포함했는지에 따라 Sp_Rolloff 값을 나타내고 있다. 구체적으로 X축은 하나의 프레임 안에 몇 개의 신호를 포함하는지를 의미하고 있다. 이때, 각 신호의 수에서 Sp_Rolloff 이외의 크기를 갖는 값은 노이즈가 될 수 있다.That is, referring to FIG. 7 , the Sp_Rolloff value is shown according to how many signals are included in the frame of the stable region signal and the unstable region signal. Specifically, the X-axis means how many signals are included in one frame. In this case, a value having a magnitude other than Sp_Rolloff in the number of signals may be noise.

예컨대, 특정 프레임에 100개의 신호가 포함된 경우, Sp_Rolloff은 0.4와 인접한 크기를 가질 수 있지만, 0.4 이외의 노이즈(N)가 매우 커 Sp_Rolloff의 크기가 정확하지 않을 수 있다는 문제점이 있다. 이에 반해, 신호의 수가 20인 경우, Sp_Rolloff의 크기는 0.4에 인접하지만, 포함하는 노이즈가 적음을 알 수 있다. For example, when 100 signals are included in a specific frame, Sp_Rolloff may have a size adjacent to 0.4, but there is a problem that the size of Sp_Rolloff may not be accurate because noise (N) other than 0.4 is very large. On the other hand, when the number of signals is 20, it can be seen that although the magnitude of Sp_Rolloff is close to 0.4, the noise included is small.

다만 특정 프레임에 포함하는 신호의 수가 커질수록 노이즈가 작아지지만, 특정 신호의 일부 프레임만 선택하여 계산할 수 있도록 하여 한번의 계산에서 사용되는 데이터 수를 줄여 연산량을 줄이고, 시계열의 분해능을 향상시키기 위한 민감도 분석의 정확함이 저하된다는 문제점이 있다. However, as the number of signals included in a specific frame increases, the noise becomes smaller. However, by allowing only some frames of a specific signal to be selected and calculated, the number of data used in one calculation is reduced to reduce the amount of computation and sensitivity to improve time series resolution There is a problem in that the accuracy of the analysis is deteriorated.

따라서, 노이즈가 최소로 적으며, 민감도 분석의 정확함이 저하되지 않을 수 있도록 특정 프레임이 포함하는 신호 수가 20(0.002초)인 경우를 기준하여 민감도를 분석하고, Sp_Rolloff을 측정할 수 있다. Therefore, the sensitivity can be analyzed based on the case where the number of signals included in a specific frame is 20 (0.002 seconds) and Sp_Rolloff can be measured so that noise is minimal and the accuracy of the sensitivity analysis is not deteriorated.

이렇게 계산된 Sp_Rolloff 는 일정 개수(예: 20개)만큼 취합하여 표준 편차를 계산하게 된다. 구체적으로 측정부(20)는 계산된 Sp_Rolloff 를 기초로 Sp_Rolloff calculated in this way is collected by a certain number (eg, 20) to calculate the standard deviation. Specifically, the measurement unit 20 based on the calculated Sp_Rolloff

Figure 112019063946776-pat00021
(식 3)
Figure 112019063946776-pat00021
(Equation 3)

를 이용하여 표준편차 Sp_Rolloff 를 계산할 수 있다. 여기서 n: Sp_Rolloff의 개수,

Figure 112019063946776-pat00022
: i번째 Sp_Rolloff의 값,
Figure 112019063946776-pat00023
: Sp_Rolloff들의 평균이라 할 수 있다. can be used to calculate the standard deviation Sp_Rolloff. where n: the number of Sp_Rolloff,
Figure 112019063946776-pat00022
: the value of the i-th Sp_Rolloff,
Figure 112019063946776-pat00023
: It can be said to be the average of Sp_Rolloffs.

계산된 표준편차 Sp_Rolloff는, 안정 영역 신호에서의 안정 표준편차 Sp_Rolloff 및 불안정 영역 신호에서의 불안정 표준편차 Sp_Rolloff를 포함한다. 이때, 측정부(20)는 안정 표준편차 Sp_Rolloff 및 불안정 표준편차 Sp_Rolloff를 합하여 계산된 평균화한 산술평균 Sp_Rolloff이 연소불안정 판별기준값이 될 수 있다. The calculated standard deviation Sp_Rolloff includes the stable standard deviation Sp_Rolloff in the stable region signal and the unstable standard deviation Sp_Rolloff in the unstable region signal. In this case, the measurement unit 20 may use the averaged arithmetic mean Sp_Rolloff calculated by adding the stable standard deviation Sp_Rolloff and the unstable standard deviation Sp_Rolloff as the combustion instability discrimination reference value.

이렇게 계산된 연소불안정 판별기준값이 연소동압신호에서 측정한 Sp_Rolloff의 값보다 작은 경우, 연소부(10)의 연소가 불안정하게 연소되고 있는 것이라 판단할 수 있다. When the calculated combustion instability determination reference value is smaller than the value of Sp_Rolloff measured from the combustion dynamics signal, it can be determined that the combustion of the combustion unit 10 is being burned in an unstable manner.

구체적으로, 가스터빈 내에서 연소가 이루어지는 동안 다양한 신호가 발생할 수 있다. 특히 연소가 안정한 상태일 때 그 동압신호의 크기는 작고, 고른 크기의 다양한 주파수 성분을 갖는다. 예를 들어, 안정 영역의 신호에의 Sp_Rolloff는 연소불안정 판별기준값인 0.0722(도 8의 (a) 참고) 보다 크게 나타나는 특징이 있다.Specifically, various signals may be generated during combustion in the gas turbine. In particular, when combustion is in a stable state, the magnitude of the dynamic pressure signal is small and has various frequency components of even magnitude. For example, Sp_Rolloff to the signal in the stable region is larger than the combustion instability discrimination reference value of 0.0722 (refer to FIG. 8(a)).

이에 반해 연소부(10) 내부에서 측정한 동압 신호가 불안정한 상태의 신호이면, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 동압 신호는 높은 수준의 가진되는 공진주파수와 일치하는 파형을 나타낸다. 즉 불안정상태의 동압 신호는 가진되는 공진주파수에서 크기를 갖는 특성이 있다. 또한, 불안정 영역의 신호에서의 Sp_Rolloff는 연소불안정 판별기준값인 0.0722(도 8의 (b) 참고) 보다 작게 나타나는 특징이 있다.On the other hand, if the dynamic pressure signal measured inside the combustion unit 10 is a signal in an unstable state, as shown in FIG. That is, the dynamic pressure signal in an unstable state has a characteristic having a magnitude at the excitation resonant frequency. In addition, Sp_Rolloff in the signal of the unstable region is characterized in that it appears smaller than the combustion instability determination reference value of 0.0722 (refer to FIG. 8(b)).

구체적으로, 불안정상태의 동압 신호는 가스터빈 내에서 연소가 이루어지는 동안 특정 신호를 중심으로 신호가 발생하는 것을 의미한다. 즉, 연소가 불안정한 상태라는 것은, 연소기의 고유모드와 일치하는 주파수 성분을 갖는 정현파 파형이 지배적이라는 것을 의미한다. 따라서, 불안정상태에서의 동압신호는 특정 프레임 내에서 특정한 신호를 가질 수 있다는 특징이 있다. Specifically, the dynamic pressure signal in an unstable state means that the signal is generated centering on a specific signal while combustion is taking place in the gas turbine. That is, the combustion unstable state means that a sinusoidal waveform with a frequency component consistent with the eigenmode of the combustor is dominant. Therefore, the dynamic pressure signal in an unstable state has a characteristic that it can have a specific signal within a specific frame.

즉, 연소불안정 판별기준값이 0.0722로 선정 후 측정되는 Sp_Rolloff이 연소불안정 판별기준값보다 작은 경우에 한해 가스터빈 연소불안정 상태에 대한 알람 및 자동 비상조치를 취하는 것이다. That is, only when Sp_Rolloff measured after the combustion instability determination standard value is set to 0.0722 is smaller than the combustion instability determination standard value, an alarm for the combustion instability state of the gas turbine and automatic emergency measures are taken.

이때, 안정 영역의 신호 또는 불안정 영역의 신호에서의 Sp_Rolloff의 값은 절대적인 기준값이 아니며, 가스터빈 연소 시, 실제 연소하는 과정에서 발생한 데이터를 바탕으로 안정한 연소가 일어나는 경우, 주파수의 파동이 심하게 발생하고, 이로 인해 프레임수가 적게 발생하여 측정된 결과를 기준한 것이다. At this time, the value of Sp_Rolloff in the signal in the stable region or the signal in the unstable region is not an absolute reference value. , which resulted in a small number of frames, based on the measured results.

이와 같이, 안정 영역의 신호 및 불안정 영역의 신호에서의 Sp_Rolloff와 연소불안정 판별기준값을 비교함에 따라 동압신호의 안정 또는 불안정 여부를 판단할 수 있게 된다. As described above, it is possible to determine whether the dynamic pressure signal is stable or unstable by comparing Sp_Rolloff in the signal in the stable region and the signal in the unstable region and the combustion instability determination reference value.

이러한 특징으로 동압신호의 안정 또는 불안정 여부를 판단하는 과정을 도 9을 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다. The process of determining whether the dynamic pressure signal is stable or unstable with these characteristics will be described in more detail with reference to FIG. 9 .

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 연소불안정 진단시스템을 이용한 연소불안정 진단 과정을 도시한 흐름도이다. 9 is a flowchart illustrating a combustion instability diagnosis process using the gas turbine combustion instability diagnosis system according to an embodiment of the present invention.

도 9의 설명에 앞서, 도 9에서 설명되는 도면부호와 도 1 내지 도 8에서 설명된 도면 부호가 동일한 경우 동일 구성이라고 판단하고, 상세한 설명은 생략하기로 한다. Prior to the description of FIG. 9, if the reference numerals described in FIG. 9 and the reference numerals described in FIGS. 1 to 8 are the same, it is determined that they have the same configuration, and a detailed description thereof will be omitted.

도면을 참고하면, 우선 연소부(10) 내부의 연소 동압을 측정한다(S110). 측정되는 연소 동압은 연소부(10) 내에서 연소가 불안정하게 이루어지고 있는지 여부를 측정할 수 있는 데이터로 사용될 수 있다. 구체적으로 연소불안정 현상이 발생하면 연소부 내부의 공진으로 인해 연소 동압이 크게 변화하고, 변화하는 연소 동압 정보는 연소 불안정에 대한 정보를 담고 있음을 시사하는 것이라 할 수 있다. Referring to the drawings, first, the combustion dynamic pressure inside the combustion unit 10 is measured (S110). The measured combustion dynamic pressure may be used as data for measuring whether combustion is unstable in the combustion unit 10 . Specifically, when the combustion instability phenomenon occurs, the combustion dynamic pressure is greatly changed due to the resonance inside the combustion part, and it can be said that the changed combustion dynamic pressure information contains information about combustion instability.

이후, 측정된 연소 동압을 신호 처리할 수 있다. 이는 측정되는 연소 동압을 주파수로 처리하고, 처리된 신호는 특징에 따라 연소 불안정이 발생하는지 확인할 수 있는 데이터로 사용된다. 이때, 본 발명의 실시예에서 측정된 연소 동압은 특정한 변환이나 처리를 통해 신호 처리하지 않고, 연소 동안 자체를 신호로 판단하여 데이터로 사용되는 예를 들어 설명하기로 한다. Thereafter, the measured combustion dynamics may be signal-processed. It processes the measured combustion dynamics as a frequency, and the processed signal is used as data that can confirm whether combustion instability occurs according to characteristics. At this time, the combustion dynamic pressure measured in the embodiment of the present invention will not be signal-processed through a specific conversion or processing, but will be described as an example that determines itself as a signal during combustion and is used as data.

연소 동압을 신호 처리한 후, 연소 상태를 판별하는 인자인 연소불안정 판별기준값을 계산하기 위해 사용하는 신호의 개수를 결정하는 민감도 분석을 시행하고, 프레임당 분석 가능한 데이터 수를 선정할 수 있다(S120, S130).After the combustion dynamics is signal-processed, a sensitivity analysis is performed to determine the number of signals used to calculate the combustion instability determination reference value, which is a factor for determining the combustion state, and the number of data that can be analyzed per frame can be selected (S120) , S130).

민감도란, 연소부 내부에서 측정된 연소 동압을 바탕으로, 한번의 실행으로 연소불안정 판별인자를 계산할 때 이용되는 신호의 개수에 따라 판별인자의 수치가 바뀌는 정도를 의미한다. 구체적으로, 연소불안정 판별인자의 구체적인 판별 기준 값을 제시하기 위해 시행하는 과정이 민감도 분석이라 할 수 있다.Sensitivity refers to the degree to which the numerical value of the discriminant factor changes according to the number of signals used when calculating the combustion instability discriminant factor in one execution based on the combustion dynamic pressure measured inside the combustion unit. Specifically, sensitivity analysis is a process performed to present specific discriminant reference values of combustion instability discriminant factors.

민감도 분석에 의해 특정 신호에서 원하는 정보를 얻고자 할 때, 특정 시간 길이를 갖는 프레임만 선택하여 계산할 수 있으며, 민감도 분석으로 인해, 연소불안정 판별인자의 판별값을 구체화할 수 있다. 또한, 특정 시간 길이만 갖는 프레임만 선택하여 민감도 분석이 이루어지게 되므로, 한 번의 계산에서 사용되는 데이터 수가 선정되기 때문에 계산되는 기준값(연소불안정 기준값)이 명확히 될 수 있는 효과가 있다. When desired information is obtained from a specific signal by sensitivity analysis, only a frame having a specific time length can be selected and calculated, and due to the sensitivity analysis, the discriminant value of the combustion instability discriminant can be specified. In addition, since sensitivity analysis is performed by selecting only frames having a specific time length, the calculated reference value (combustion instability reference value) can be clarified because the number of data used in one calculation is selected.

따라서, 민감도 분석을 통해 계산되는 연소불안정 판별인자를 통하여 연소 상태를 즉각적으로 판단 할 수 있다.Therefore, it is possible to immediately determine the combustion state through the combustion instability discriminant factor calculated through sensitivity analysis.

구체적으로, 가스터빈 내부의 동압센서(100)가 10kHz로 동압 신호를 측정하고, 측정된 신호의 전체 영역이 1초라고 가정할 경우, 계산할 신호의 특정 길이는 0.001~0.1(10개 ~ 1000개의 측정 데이터)초가 될 수 있다. 즉, 1초의 길이를 갖는 데이터를 이용하여 계산할 때, 전체 영역을 이용한 계산 결과는 1초에 1번 얻을 수 있지만 특정 길이로 잘라서 계산 할 경우 1초에 여러 번의 결과를 얻을 수 있게 된다는 효과가 있다. Specifically, assuming that the dynamic pressure sensor 100 inside the gas turbine measures a dynamic pressure signal at 10 kHz and the total area of the measured signal is 1 second, the specific length of the signal to be calculated is 0.001 to 0.1 (10 to 1000 measurement data) in seconds. That is, when calculating using data having a length of 1 second, the calculation result using the entire area can be obtained once per second, but when calculating by cutting to a specific length, there is an effect that multiple results can be obtained per second. .

이때, 특정 길이를 선정하기 위해 고려해야 할 것은 특정 프레임 내에 충분한 주파수가 포함되어 있는지 여부이다. 구체적으로, 연소부(10)의 연소가 안정/불안정 상태인지 여부를 판단하기 위한 기준값의 차이가 최대화되는지 고려해야 하는 것이다. In this case, what should be considered in order to select a specific length is whether a sufficient frequency is included in a specific frame. Specifically, it is necessary to consider whether the difference between the reference values for determining whether the combustion of the combustion unit 10 is in a stable/unstable state is maximized.

이와 같은 민감도 분석을 통해 동압센서(100)가 측정하는 동압신호를 통해 동압신호 내 주어진 신호의 스펙트럼의 형태(spectral shape)를 나타내는 정도(Spectral-Rolloff(Sp_Rolloff))를 기초로 하는 연소불안정 판별기준값을 계산하게 된다(S140).Combustion instability determination reference value based on the degree of indicating the spectral shape of a given signal in the dynamic pressure signal through the dynamic pressure signal measured by the dynamic pressure sensor 100 through the sensitivity analysis (Spectral-Rolloff(Sp_Rolloff)) is calculated (S140).

우선, 우선 동압센서(100)에서 측정되어 주어진 연소동압신호는 Fast Fourier Transform(FFT_이하 FFT)을 이용하여 분석한다. FFT란, 주어진 신호가 주기적이라는 가정 하에

Figure 112019063946776-pat00024
(단, F: Fourier matrix, y: 입력값, c: 주파수 성분)를 이용하여 신호가 갖는 주파수를 분석할 수 있는 계산식이다. First, the combustion dynamics signal measured and given by the dynamic pressure sensor 100 is analyzed using Fast Fourier Transform (FFT_hereinafter FFT). FFT is based on the assumption that a given signal is periodic.
Figure 112019063946776-pat00024
(However, F: Fourier matrix, y: input value, c: frequency component) is a calculation formula that can analyze the frequency of a signal.

이후, FFT를 이용하여 연소동압신호를 분석한 연소동압신호는 롤오프 프리컨시(Roll-off frequency)를 측정한다. 롤오프 프리컨시란, 시스템　또는 부품의 진폭,　주파수 특성에서 그 평탄부를 넘어서　주파수가 높은 쪽으로(혹은 낮은 쪽으로) 변화했을 때 진폭이 서서히 작게 감쇠해 가는 것을 의미한다.Thereafter, the combustion dynamics signal obtained by analyzing the combustion dynamics signal using FFT measures a roll-off frequency. Roll-off preconceived means that when the amplitude and frequency characteristics of a system or component go over the flat part and the frequency changes to a higher (or lower) side, the amplitude gradually attenuates small.

롤오프 프리컨시를 측정하면, 연소불안정 판별인자인 스펙트럼의 형태(spectral shape)를 나타내는 정도(Spectral-Rolloff(이하 Sp_Rolloff))를 계산할 수 있다. By measuring the roll-off preconciliation, it is possible to calculate the degree (Spectral-Rolloff (hereinafter Sp_Rolloff)) indicating the spectral shape, which is the combustion instability discriminating factor.

구체적으로, Sp_Rolloff는 Specifically, Sp_Rolloff is

Figure 112019063946776-pat00025
Figure 112019063946776-pat00025

를 통해 계산될 수 있다. 여기서,

Figure 112019063946776-pat00026
: Rolloff frequency, N: FFT의 결과로 표현 할 수 있는 주파수의 개수(N = 내림[Frame내부에 포함하는 신호의 개수 / 2]이다. can be calculated through here,
Figure 112019063946776-pat00026
: Rolloff frequency, N: The number of frequencies that can be expressed as a result of FFT (N = rounding down [the number of signals included in the frame / 2]).

이렇게 계산된 Sp_Rolloff는 안정 영역 신호에서의 Sp_Rolloff와 불안정 영역 신호에서의 Sp_Rolloff를 포함한다. 구체적으로 안정 Sp_Rolloff는 주어지는 신호에 따라 바뀌고, 불안정 Sp_Rolloff는 주어진 신호에 관계없이 항상 균일하게 측정된다. 따라서, 안정 영역 신호 및 불안정 영역 신호에서 나타나는 Sp_Rolloff는 연소기가 안정 영역 신호 및 불안정 영역 신호인지를 구분할 수 있는 인자가 되는 것이다. The calculated Sp_Rolloff includes Sp_Rolloff in the stable region signal and Sp_Rolloff in the unstable region signal. Specifically, stable Sp_Rolloff changes according to a given signal, and unstable Sp_Rolloff is always measured uniformly regardless of a given signal. Accordingly, Sp_Rolloff appearing in the stable region signal and the unstable region signal is a factor capable of distinguishing whether the combustor is a stable region signal and an unstable region signal.

이후, 계산된 Sp_Rolloff 는 일정 개수(예: 20개)만큼 취합하여 표준 편차를 계산하게 된다(S150). 구체적으로, Thereafter, the calculated Sp_Rolloff is collected by a predetermined number (eg, 20) to calculate the standard deviation (S150). Specifically,

Figure 112019063946776-pat00027
Figure 112019063946776-pat00027

를 이용하여 표준편차 Sp_Rolloff 를 계산하게 된다. 여기서 n: Sp_Rolloff의 개수,

Figure 112019063946776-pat00028
: i번째 Sp_Rolloff의 값,
Figure 112019063946776-pat00029
: Sp_Rolloff들의 평균이라 할 수 있다.is used to calculate the standard deviation Sp_Rolloff. where n: the number of Sp_Rolloff,
Figure 112019063946776-pat00028
: the value of the i-th Sp_Rolloff,
Figure 112019063946776-pat00029
: It can be said to be the average of Sp_Rolloffs.

이때, 표준편차 Sp_Rolloff는, 각각 안정 영역 신호에서의 안정 표준편차 Sp_Rolloff 및 불안정 영역 신호에서의 불안정 표준편차 Sp_Rolloff로 계산된다. At this time, the standard deviation Sp_Rolloff is calculated as the stable standard deviation Sp_Rolloff in the stable region signal and the unstable standard deviation Sp_Rolloff in the unstable region signal, respectively.

이후 안정 표준편차 Sp_Rolloff 및 불안정 영역 신호에서의 불안정 표준편차 Sp_Rolloff를 합하고, 계산된 평균화한 산술평균 Sp_Rolloff이 연소불안정 판별기준값이 될 수 있다. Then, the stable standard deviation Sp_Rolloff and the unstable standard deviation Sp_Rolloff in the unstable region signal are summed, and the calculated averaged arithmetic mean Sp_Rolloff may be the combustion instability discrimination standard value.

이렇게 계산된 연소불안정 판별기준값이 연소동압신호에서 측정한 Sp_Rolloff의 값보다 작은 경우, 연소부(10)의 연소가 불안정하게 연소되고 있는 것이라 판단할 수 있다(S160). When the calculated combustion instability determination reference value is smaller than the value of Sp_Rolloff measured from the combustion dynamics signal, it may be determined that the combustion of the combustion unit 10 is unstable combustion ( S160 ).

구체적으로, 가스터빈 내에서 연소가 이루어지는 동안 다양한 신호가 발생할 수 있다. 특히 연소가 안정한 상태일 때 그 동압신호의 크기는 작게 측정되어 Sp_Rolloff는 연소불안정 판별기준값보다 크게 나타나는 특징이 있다. Specifically, various signals may be generated during combustion in the gas turbine. In particular, when the combustion is stable, the magnitude of the dynamic pressure signal is measured to be small, so that Sp_Rolloff is larger than the combustion instability discrimination standard value.

이에 반해 연소부(10) 내부에서 측정한 동압 신호가 불안정한 상태의 신호이면, 같이 동압 신호는 높은 수준의 가진되는 공진주파수와 일치하는 파형을 나타낸다. 즉 불안정상태의 동압 신호는 가진되는 공진주파수에서 크기를 갖는 특성이 있다. 또한, 불안정 영역의 신호에서의 Sp_Rolloff는 연소불안정 판별기준값보다 작게 나타나는 특징이 있다. On the other hand, if the dynamic pressure signal measured inside the combustion unit 10 is a signal in an unstable state, the dynamic pressure signal shows a waveform that coincides with a high-level excitation resonant frequency. That is, the dynamic pressure signal in an unstable state has a characteristic having a magnitude at the excitation resonant frequency. In addition, Sp_Rolloff in the signal in the unstable region is smaller than the combustion instability discrimination reference value.

이렇게 계산된 Sp_Rolloff는 연소불안정 판별기준값과 비교하여 연소불안정 판별기준값 보다 크게 측정되면 연소가 안정적으로 지속되었다고 판단되어 정상운전을 운전자 및 장치 구동자 등에게 알릴 수 있다(S180).When the Sp_Rolloff calculated in this way is measured to be greater than the combustion instability determination reference value compared with the combustion instability determination reference value, it is determined that the combustion has been stably continued, and normal operation may be notified to the driver and the device driver (S180).

이와 다르게 계산된 Sp_Rolloff는 연소불안정 판별기준값과 비교하여 연소불안정 판별기준값 보다 작게 측정되면, 불안정한 연소가 이루어진다고 판단할 수 있다. 특히, 계산된 Sp_Rolloff가 연소불안정 판별기준값 보다 작게 측정되는 시간이 0.1이 1초 이상 지속되는 경우 연소 불안정운영 상태를 운전자에 알릴 수 있다(S170). 연소불안정이 일정 시간 이상 지속되는 경우 가스터빈에서 부하가 발생할 수 있기 때문이다.If the Sp_Rolloff calculated differently is smaller than the combustion instability determination reference value compared with the combustion instability determination reference value, it can be determined that unstable combustion is achieved. In particular, when the time for which the calculated Sp_Rolloff is smaller than the combustion instability determination reference value is measured for 0.1 second or more, the driver may be informed of the combustion unstable operation state (S170). This is because, if combustion instability continues for more than a certain period of time, a load may occur in the gas turbine.

이상과 같이, 가스터빈에서 이루어지는 연소과정의 연소불안정 여부를 판단하기 위하여 연소부(10)에서 발생한 연소 동압을 이용하여 연소동압 기준 판별값인 연소불안정 판별 인자 값을 계산하고, 계산된 연소불안정 판별 인자 값에 따라 가스터빈의 연소부에서 연소가 안정하게 이루어지고 있는지 여부를 판단할 수 있게 된다.As described above, in order to determine whether combustion is unstable in the combustion process performed in the gas turbine, the combustion instability discrimination factor value, which is the combustion dynamic pressure reference discrimination value, is calculated using the combustion dynamic pressure generated in the combustion unit 10, and the calculated combustion instability is determined. It is possible to determine whether combustion is stably performed in the combustion part of the gas turbine according to the factor value.

특히, 본 발명의 일 실시예의 가스터빈 연소 동압의 불안정 판별 기준값을 통해 보다 빠르고 정확하게 가스터빈의 연소불안정 발생 여부를 판단하고, 이를 알려 그에 상응하는 조치를 신속하게 취할 수 있도록 한다. In particular, it is faster and more accurately determined whether combustion instability of the gas turbine occurs through the instability determination reference value of the gas turbine combustion dynamics according to an embodiment of the present invention, and informs it so that a corresponding action can be quickly taken.

앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고서 다른 구체적인 실시예로 다양하게 수정 및 변형할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 할 것이다.In the foregoing, specific embodiments of the present invention have been described and illustrated, but the present invention is not limited to the described embodiments, and those skilled in the art may make various changes to other specific embodiments without departing from the spirit and scope of the present invention. It will be appreciated that modifications and variations are possible. Accordingly, the scope of the present invention should not be defined by the described embodiments, but should be defined by the technical idea described in the claims.

본 발명의 스펙트럴 롤오프를 기반으로 한 가스터빈 연소불안정 진단 시스템 및 이를 이용한 가스터빈 연소불안정 진단 방법에 따르면, 가스 터빈 연소 시, 기준값에 따라 연소 불안정 여부를 판단하여 연소 불안정이 발생하면 이를 알려 가스터빈의 부하를 최소화할 수 있도록 하는 기술을 실현할 수 있다는 점에서, 기존 기술의 한계를 뛰어 넘음에 따라 관련 기술에 대한 이용만이 아닌 적용되는 장치의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.According to the gas turbine combustion instability diagnosis system based on the spectral roll-off of the present invention and the gas turbine combustion instability diagnosis method using the same, when a gas turbine is burned, it is determined whether combustion instability occurs according to a reference value and notified when combustion instability occurs. In terms of being able to realize a technology that can minimize the load on the turbine, as it goes beyond the limits of existing technologies, the possibility of marketing or sales of the applied device, not just the use of the related technology, is sufficient and clearly implemented in reality. It is an invention that has industrial applicability because it can be done.

Claims (10)

연소부 내부에 장착되고, 상기 연소부 내부의 연소 동압을 측정하는 동압센서를 포함하는 연소부;
상기 동압센서에서 연소동압신호를 신호처리하고, 상기 연소부의 연소 불안정 여부를 판별하기 위해 연소불안정 판별기준값을 계산하기 위한 동압신호의 시간 주기를 결정하는 민감도 분석을 시행하고, 상기 민감도를 기초로 상기 연소불안정 판별기준값을 계산하는 진단부; 및
상기 진단부의 판정에 따라 상기 연소부의 운전을 제어하는 연소제어부를 포함하며,
상기 진단부는,
상기 민감도를 기준으로 상기 동압신호 내 주어진 신호의 스펙트럼의 형태(spectral shape)를 나타내는 정도(Spectral-Rolloff(Sp_Rolloff))를 기초로 하는 상기 연소불안정 판별기준값을 계산하며,
상기 Sp_Rolloff는,
Figure 112020119561111-pat00052

(여기서, fR : Rolloff frequency, N: FFT의 결과로 표현 할 수 있는 주파수의 개수(N = 내림[Frame내부에 포함하는 신호의 개수 / 2]))에 의하여 결정하는,
스펙트럴 롤오프를 기반으로 한 가스터빈 연소불안정 진단 시스템.
a combustion unit mounted inside the combustion unit and including a dynamic pressure sensor for measuring a combustion dynamic pressure inside the combustion unit;
The dynamic pressure sensor processes the combustion dynamic pressure signal, and performs a sensitivity analysis to determine the time period of the dynamic pressure signal for calculating the combustion instability determination reference value to determine whether the combustion is unstable in the combustion unit, and based on the sensitivity, a diagnostic unit for calculating a combustion instability determination reference value; and
a combustion control unit for controlling the operation of the combustion unit according to the determination of the diagnosis unit;
The diagnostic unit,
Calculating the combustion instability determination reference value based on the degree (Spectral-Rolloff(Sp_Rolloff)) indicating the spectral shape of a given signal in the dynamic pressure signal based on the sensitivity,
The Sp_Rolloff is,
Figure 112020119561111-pat00052

(here, f R : Rolloff frequency, N: the number of frequencies that can be expressed as a result of FFT (N = lowering [number of signals included in the frame / 2])))
Gas turbine combustion instability diagnosis system based on spectral roll-off.
 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 Sp_Rolloff는,
안정 영역 신호에서의 안정 Sp_Rolloff 및 불안정 영역 신호에서의 불안정 Sp_Rolloff를 포함하고,
상기 안정 Sp_Rolloff는 주어지는 신호에 따라 상기 Sp_Rolloff가 변화하며,
상기 불안정 Sp_Rolloff는 주어지는 신호에 따라 상기 Sp_Rolloff가 균일한,
스펙트럴 롤오프를 기반으로 한 가스터빈 연소불안정 진단 시스템.
According to claim 1,
The Sp_Rolloff is,
stable Sp_Rolloff in the stable region signal and unstable Sp_Rolloff in the unstable region signal;
In the stable Sp_Rolloff, the Sp_Rolloff changes according to a given signal,
The unstable Sp_Rolloff is a uniform Sp_Rolloff according to a given signal,
Gas turbine combustion instability diagnosis system based on spectral roll-off.
 제3항에 있어서,
상기 불안정 Sp_Rolloff는 공진주파수에 대응하는,
스펙트럴 롤오프를 기반으로 한 가스터빈 연소불안정 진단 시스템.
4. The method of claim 3,
The unstable Sp_Rolloff corresponds to the resonance frequency,
Gas turbine combustion instability diagnosis system based on spectral roll-off.
 제1항에 있어서,
상기 진단부는,
상기 Sp_Rolloff를 기초로
Figure 112021054229919-pat00053

(여기서, n: Sp_Rolloff의 개수, xi : i번째 Sp_Rolloff의 값,
Figure 112021054229919-pat00054
: Sp_Rolloff들의 평균)에 의하여 표준편차 Sp_Rolloff를 결정하는,
스펙트럴 롤오프를 기반으로 한 가스터빈 연소불안정 진단 시스템.
According to claim 1,
The diagnostic unit,
Based on the above Sp_Rolloff
Figure 112021054229919-pat00053

(where n: the number of Sp_Rolloff, x i : the value of the i-th Sp_Rolloff,
Figure 112021054229919-pat00054
: to determine the standard deviation Sp_Rolloff by the mean of Sp_Rolloff),
Gas turbine combustion instability diagnosis system based on spectral roll-off.
 제5항에 있어서,
상기 표준편차 Sp_Rolloff는, 안정 영역 신호에서의 안정 표준편차 Sp_Rolloff 및 불안정 영역 신호에서의 불안정 표준편차 Sp_Rolloff를 포함하고,
상기 진단부는,
상기 안정 표준편차 Sp_Rolloff 및 상기 불안정 표준편차 Sp_Rolloff를 합하여 평균화한 산술평균 Sp_Rolloff를 기초로 상기 연소불안정 판별기준값을 계산하는,
스펙트럴 롤오프를 기반으로 한 가스터빈 연소불안정 진단 시스템.
6. The method of claim 5,
The standard deviation Sp_Rolloff includes the stable standard deviation Sp_Rolloff in the stable region signal and the unstable standard deviation Sp_Rolloff in the unstable region signal,
The diagnostic unit,
Calculating the combustion instability discrimination standard value based on the arithmetic mean Sp_Rolloff averaged by summing the stable standard deviation Sp_Rolloff and the unstable standard deviation Sp_Rolloff,
Gas turbine combustion instability diagnosis system based on spectral roll-off.
 제6항에 있어서,
상기 진단부는,
상기 연소불안정 판별기준값보다 동압센서에서 측정된 연소동안신호를 기초로 측정한 Sp_Rolloff이 작은 경우, 연소부의 연소가 불안정한 것으로 판단하는,
스펙트럴 롤오프를 기반으로 한 가스터빈 연소불안정 진단 시스템.
7. The method of claim 6,
The diagnostic unit,
When Sp_Rolloff measured based on the signal during combustion measured by the dynamic pressure sensor is smaller than the combustion instability determination reference value, it is determined that the combustion of the combustion part is unstable,
Gas turbine combustion instability diagnosis system based on spectral roll-off.
 (a) 연소부 내부의 연소 동압을 측정하는 단계;
(b) 측정된 상기 연소 동압을 신호처리하는 단계;
(c) 상기 연소부의 연소 불안정 여부를 판별하기 위해 연소불안정 판별기준값을 계산하기 위한 동압신호의 시간 주기를 결정하는 민감도 분석을 시행하는 단계; 및
(d) 상기 민감도를 기초로 상기 연소부 내부의 연소불안정 여부를 판단하는 단계를 포함하고,
상기 (c) 단계는,
하나의 프레임(Frame) 당 분석 가능한 데이터 수를 결정하는 단계;
상기 하나의 프레임마다 상기 민감도를 기준으로 상기 동압신호 내 주어진 신호의 스펙트럼의 형태(spectral shape)를 나타내는 정도(Spectral-Rolloff(Sp_Rolloff))를 계산하는 단계;
상기 Sp_Rolloff를 기초로 안정 영역 신호에서의 안정 표준편차 Sp_Rolloff 및 불안정 영역 신호에서의 불안정 표준편차 Sp_Rolloff를 포함하는 표준편차 Sp_Rolloff를 계산하는 단계 및
상기 안정 표준편차 Sp_Rolloff 및 상기 불안정 표준편차 Sp_Rolloff를 합하여 평균화한 산술평균 Sp_Rolloff를 기초로 상기 연소불안정 판별기준값을 계산하는 단계를 포함하고,
상기 연소불안정 판별기준값보다 동압센서에서 측정된 연소동안신호를 기초로 측정한 Sp_Rolloff이 작은 경우 연소부의 연소가 불안정한 것으로 판단하는,
스펙트럴 롤오프를 기반으로 한 가스터빈 연소불안정 진단 시스템을 이용한 가스터빈 연소불안정 진단 방법.
(a) measuring the combustion dynamic pressure inside the combustion unit;
(b) signal-processing the measured combustion dynamics;
(c) performing a sensitivity analysis for determining a time period of a dynamic pressure signal for calculating a combustion instability determination reference value in order to determine whether the combustion part is unstable in combustion; and
(d) determining whether combustion is unstable inside the combustion unit based on the sensitivity;
The step (c) is,
determining the number of data that can be analyzed per one frame;
calculating a degree (Spectral-Rolloff(Sp_Rolloff)) indicating a spectral shape of a given signal in the dynamic pressure signal based on the sensitivity for each frame;
calculating a standard deviation Sp_Rolloff including the stable standard deviation Sp_Rolloff in the stable region signal and the unstable standard deviation Sp_Rolloff in the unstable region signal based on the Sp_Rolloff; and
Calculating the combustion instability discrimination standard value based on an arithmetic mean Sp_Rolloff averaged by summing the stable standard deviation Sp_Rolloff and the unstable standard deviation Sp_Rolloff,
When Sp_Rolloff measured based on the signal during combustion measured by the dynamic pressure sensor is smaller than the combustion instability determination reference value, it is determined that the combustion of the combustion part is unstable,
A gas turbine combustion instability diagnosis method using a gas turbine combustion instability diagnosis system based on spectral roll-off.
 제8항에 있어서,
상기 Sp_Rolloff를 계산하는 단계는,
Figure 112020119561111-pat00055

(여기서, fR : Rolloff frequency, N: FFT의 결과로 표현 할 수 있는 주파수의 개수(N = 내림[Frame내부에 포함하는 신호의 개수 / 2]))에 의하여 결정하는,
스펙트럴 롤오프를 기반으로 한 가스터빈 연소불안정 진단 시스템을 이용한 가스터빈 연소불안정 진단 방법.
9. The method of claim 8,
Calculating the Sp_Rolloff comprises:
Figure 112020119561111-pat00055

(here, f R : Rolloff frequency, N: the number of frequencies that can be expressed as a result of FFT (N = lowering [number of signals included in the frame / 2])))
A gas turbine combustion instability diagnosis method using a gas turbine combustion instability diagnosis system based on spectral roll-off.
 제8항에 있어서,
상기 표준편차 Sp_Rolloff를 계산하는 단계는,
Figure 112021054229919-pat00056

(여기서, n : Sp_Rolloff의 개수, xi : i번째 Sp_Rolloff의 값,
Figure 112021054229919-pat00058
: Sp_Rolloff들의 평균)에 의하여 계산되는,
스펙트럴 롤오프를 기반으로 한 가스터빈 연소불안정 진단 시스템을 이용한 가스터빈 연소불안정 진단 방법.

9. The method of claim 8,
Calculating the standard deviation Sp_Rolloff comprises:
Figure 112021054229919-pat00056

(where n: the number of Sp_Rolloff, x i : the value of the i-th Sp_Rolloff,
Figure 112021054229919-pat00058
: Calculated by the average of Sp_Rolloffs),
A gas turbine combustion instability diagnosis method using a gas turbine combustion instability diagnosis system based on spectral roll-off.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101081080B1 (en) * 2009-06-30 2011-11-07 한국전력공사 Auto combustion tuning device for gas turbine and method thereof
KR101466503B1 (en) * 2013-09-05 2014-11-28 한밭대학교 산학협력단 Apparatus for detecting combustor instability and method thereof
JP2015108375A (en) * 2013-12-05 2015-06-11 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ System and method for detecting at-fault combustor

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