KR20020081119A - 압축기의 안정성 모니터링 및 제어용 방법과 그 장치 - Google Patents

압축기의 안정성 모니터링 및 제어용 방법과 그 장치 Download PDF

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Abstract

압축기(14)의 안정성을 모니터링하는 장치는 적어도 하나의 압축기 특성값을 모니터링하기 위해 압축기에 작동식으로 연결된 적어도 하나의 센서(30)와, 전조 모니터링 알고리즘를 실시하는 처리 장치 시스템(36, 60, 70, 90)을 구비하며, 상기 처리 장치 시스템은 상기 적어도 하나의 센서에 작동식으로 연결되어 실속 전조를 산정한다. 비교 측정기(40)는 실속 전조와 소정의 기선 데이터를 비교하며, 상기 비교 측정기에 작동식으로 연결된 제어기(42)는 실속 전조가 기선 데이터로부터 벗어나면 압축기의 서지 및 실속을 방지하기 위해서 보정 작용을 개시하며, 상기 기선 데이터는 압축기의 작동성의 소정의 수준을 나타낸다.

Description

압축기의 안정성 모니터링 및 제어용 방법과 그 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CONTINUOUS PREDICTION, MONITORING AND CONTROL OF COMPRESSOR HEALTH VIA DETECTION OF PRECURSORS TO ROTATING STALL AND SURGE}
본 발명은 회전 기계 부품의 안정성을 모니터링하기 위한 불침투 기술(non-intrusive tecniques)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 회전 실속 및 서지에 대한 전조를 검출함으로써 압축기의 안정성 및 성능을 주도적으로 모니터링하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
효과적인 발전 장치에 대한 세계 시장은 1980년대 중반부터 급격히 팽창되었고 이러한 추세는 미래에도 이어질 것이다. 가스 터빈계 토핑 사이클(Gas-Turbine based topping cycle)과 랭킨계 보토밍 사이클(Rankine-based bottoming cycle)로 구성된 가스 터빈 복합 사이클 발전기는 전력 생산에 있어 고객의 선호가 이어질 것이다. 이것은 상대적으로 낮은 설비 투자 비용과 복합 사이클에 기반한 가스 터빈의 계속적으로 증진되는 작동 효율의 결합으로 전력 생산의 비용을 최소화하기 때문이다.
발전용으로 사용되는 가스 터빈에 있어서, 압축기는 보다 높은 기계 효율을 성취하기 위해 보다 높은 압축비로 작동되어야 한다. 가스 터빈의 작동중에 터빈 압축기의 압축비가 주어진 속도에서 특정 임계값을 최초로 초과하여, 결과적으로 압축기 압축비와 엔진 연소기로 운송된 기류가 뒤이어 감소되는 압축기 실속으로서 공지된 현상이 발생될 수 있다. 압축기 실속은 엔진이 너무 급속하게 가속된 경우 또는 엔진의 정상 작동 동안에 입구에서의 기압 및 온도의 프로파일이 심하게 변동되는 경우와 같은 다양한 이유로 인해 초래될 수 있다. 엔진 제어 시스템부의 이물질 흡수나 기능 부전으로 인한 압축기 손상도 압축기 실속과 뒤이은 압축기 저하를 초래한다. 압축기의 실속이 모니터링되지 않고 지속된다면, 압축기에서 감소된 연소기 온도 및 진동 응력은 터빈의 손상을 야기시키기 충분하게 높아진다.
상승된 발화점이 복합 사이클 효율 및 고유 동력을 증가시킨다는 것은 잘 공지되어 있다. 주어진 발화 온도에 대해 최적 사이클 압축비가 식별되어 복합 사이클 효율을 최대화한다. 이러한 최적 사이클 압축비는 이론적으로 점화 온도의 증가와 함께 증가한다. 따라서, 축방향 유동 압축기는 계속적으로 증가하는 압축비와 동시에 부품수의 최소화, 작동성의 단순화, 및 전반에 걸친 저비용 목적의 요구에 따라 좌우된다. 또한, 축방향 압축기는 전체 사이클 효율을 증대시키는 압축기 효율에서의 높아진 수준의 압축비로 작동할 것이다. 또한, 축방향 압축기는 복합 사이클 작동의 변화하는 발전 출력 특성에 결합된 질량 유속에 넓은 범위에 걸쳐서 공기역학적으로 그리고 항공 역학적으로 안정된 방식으로 수행될 것이 기대된다.
본 발명에 따른 일반적인 필요 조건은 향상된 복합 사이클 효율의 그리고 높은 신뢰성과 유용성에 대해 검증받은 기술에 기반한 산업적 가스 터빈에 대한 시장 수요이다.
어느 접근법은 압축기를 통해 기류 및 압력 상승을 측정함으로써 압축기의 안정성을 모니터링한다. 선정된 압력 상승 범위를 초과하는 압축기 작동은 기계를 불안정하게 하며 정지시킨다. 이와 같은 압력 변동은 예를 들면 불안정 연소, 압축기 자체의 회전 실속 및 서지 결과와 같은 다수의 요인에 기인한다. 이러한 결과를 측정하기 위해서, 압축기를 통한 압력 상승 변화의 크기 및 비율이 모니터링된다. 그와 같은 결과가 발생할 때, 압력 상승의 크기는 뚜렷하게 강하되며, 변화의 크기 및 그 속도를 모니터링하는 알고리즘이 그 결과를 나타낸다. 그러나, 이러한 접근법은 회전 실속 및 서지의 예측 능력을 제공하지 않으며, 그와 같은 결과를 주도적으로 처리하기 위한 충분한 리드 타임(lead-time)을 갖는 실시간 제어 시스템에 정보를 제공하지 못한다.
따라서, 본 발명은 고효율에 비례하는 높은 사이클 압력 및 압축기의 작동 범위 전반에 걸쳐 충분한 서지 마진에 대한 동시적인 요구를 해결한다. 특히, 본 발명은 칼맨 필터에 의해 발생되는 실속 전조를 사용하여 압축기의 안정성을 능동적으로 모니터링 및 제어하기 위한 시스템 및 방법을 지향한다. 예시적인 실시예에서, 예를 들면 압축기를 통과하는 기체 유동의 압력 및 속도, 압축기 케이싱상의 힘과 진동 등과 같은 동적 압축기의 특성값을 측정하기 위해서 적어도 하나의 센서가 압축기 주위에 배치된다. 모니터링된 센서 데이터는 여과 및 저장된다. 센서에 의해서 소정량의 데이터를 수집하여 디지털화 하는 중에, 동적 모델 특성값을 구하기 위해 모니터링된 데이터에 시계열 분석이 수행된다.
칼맨 필터는 동적 모델 특성값을 새롭게 모니터링된 센서 데이터와 결합하여 여과된 평가치를 산정한다. 칼맨 필터는 최근의 데이터 표본을 근거로 뒤이은 데이터 표본의 그 여과된 평가치를 갱신한다. "혁신"으로 공지된 모니터링된 데이터와 여과된 평가치 사이의 차이는 비교되며, 혁신의 표준 편차는 소정의 횟수로 비교하는 중에 산정된다. 표준 편차의 크기는 기선 압축기에 대한 공지된 상관 표준 편차와 비교되며, 그 차이는 저하된 압축기 작동성을 산정하기 위해 사용된다. 대응 압축기 작동성 측정값은 산정되어 설계 목표에 비교된다. 압축기의 작동성이 불충분하다고 판단된다면, 모든 잠재적인 회전 실속 및 서지를 예상 및 완화시키기 위해서 보정 작동은 실시간 제어 시스템에 의하여 개시됨으로써 요구된 압축기 작동성 수준을 유지한다.
이부 보정 작용은 근접 영역 수준에서 압축기를 작동시키기 위해서 예를 들면 압축기 가변 베인, 입구 공기 가열, 압축기 공기 유출, 연소기 연료 혼합 등을 조절하는 작동 라인 제어 특성값을 변화시키는 것을 포함한다. 바람직하게, 보정 작용은 압축기 서지 결과의 발생전에 개시되며, 작동 라인 영역값과 압축기 서지 결과의 발생 사이로 확인된 마진내에 있다. 이러한 보정 단계는 압축기의 작동성의 소망 수준이 성취될 때까지 반복된다.
칼맨 필터는 일차 선형 미분 방정식의 집합으로 간주되는 시스템 오류의 동적 모델을 포함한다. 따라서, 칼맨 필터는 각각의 오류원에 대응하여 변화(상태 변화)되는 방정식을 포함하며, 상기 방정식은 이들 오류원 사이의 동적 관계를 나타낸다. 가산 인자가 적용되어 이들 오류의 상대적인 기여를 알게 한다. 가산 인자는 계산되는 동시에 오류의 분포의 최소 변화에 근거하는 값에서 최적화된다. 칼맨 필터는 새로운 측정값을 수신함에 따라서 가변 상태의 값을 지속적으로 재평가하는 동시에 모든 지난 측정값들을 참작하며, 따라서 각각의 입력으로부터 반복적으로 갱신되는 가변 상태 설정에 근거한 하나 또는 그 이상의 선택된 특성값의 값을 예상하는 것이 가능해진다.
본 발명의 다른 실시에에서, 순간 고속 푸리에 변환(FFT)으로 실속 측정값을 산정한다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 실속 측정값을 산정하기 위해 통계적 처리 상황에서 사용될 수 있는 상관 적분법을 제공한다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 자동 실속 측정값을 산정하기 위해서 2차 가우스 마코브 처리에 의해 확대된 자동 회귀(AR) 모델을 제공한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 본 발명은 ⓐ 적어도 하나의 압축기 특성값을 모니터링하는 단계와, ⓑ 시계열 데이터를 구하기 위하여 모니터링된 특성값을 분석하는 단계와, ⓒ 실속 전조를 결정하기 위해서 칼맨 필터를 사용하여 시계열 데이터를 처리하는 단계와, ⓓ 압축기 저하를 식별하기 위해서 실속 전조를 소정의 기선값과 비교하는 단계와, ⓔ 압축기 작동성의 소정 수준을 유지하도록 압축기 저하를 경감시키는 보정 작용을 수행하는 단계와, ⓕ 모니터링된 압축기 특성값이 소정의 범위내에 존재할 때까지 상기 보정 작용 수행 단계를 반복하는 단계를 포함하는 압축기 모니터링 및 제어 방법을 제공한다. 상기 ⓒ 단계는 ① 시계열 데이터를 처리하여 동적 모델 특성값을 산정하는 단계와, ② 칼맨 필터내에서 동적 모델 특성값과 압축기 특성값의 새로운 측정값을 비교하여 여과된 평가치를 구하는 단계와, ③ 여과된 평가치와 새로운 측정값 사이의 표준 편차를 산정하여 실속 전조를 구하는 단계를 더 포함한다. 상기 보정 작용은 작동 라인 특성값을 변화시킴으로써 개시된다. 상기 보정 작용은 압축기상의 부하를 감소시키는 단계를 포함한다. 바람직하게 상기 작동 라인 특성값은 근접 영역값으로 설정된다.
다른 실시예에서, 본 발명은 적어도 하나의 압축기에서의 모니터링을 위해서 상기 압축기에 작동식으로 연결된 적어도 하나의 센서와, 상기 적어도 하나의 센서에 작동식으로 연결되어 실속 전조를 산정하는 칼맨 필터를 실시하는 처리 장치 시스템과, 실속 전조와 소정의 기선 데이터를 비교하는 비교 측정기와, 상기 압축기에 작동식으로 연결되어 상기 실속 전조가 압축기의 작동성의 소정 수준을 나타내는 상기 기선 테이터로부터 벗어나면 압축기의 서지 및 실속을 방지하기 위해 보정 작용을 개시하는 제어기를 포함하는 압축기의 안정성 모니터링 장치를 제공한다. 상기 장치는 상기 적어도 하나의 센서로부터 입력된 데이터를 표본화 및 디지털화하는 아날로그로부터 디지털로(A/D)의 컨버터와, A/D 컨버터에 결합되어 모니터링된 특성치에 시계열 분석(t,x)을 수행하는 교정 시스템과, 대응 실속 측정 데이터를 포함하는 공지된 압축기 데이터 세트를 저장하기 위한 메모리를 갖는 검색표(LUT)을 더 포함한다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 압축기 및 연소기를 구비하는 형태의 가스 터빈을 제공하며, 압축기의 안정성을 모니터링하는 방법은 발명의 다양한 실시예에 따라 수행된다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 적어도 하나의 압축기 특성값을 측정하기 위한 수단과, 실속 측정값을 산정하기 위한 수단과, 상기 실속 측정값을 소정의 기선값과 비교하기 위한 수단과, 상기 실속 측정값이 상기 기선값에서 벗어나면 보정 작용을 개시하는 수단을 포함하는 압축기의 안정성 모니터링 및 제어용 장치를 제공한다. 하나의 실시예에서, 실속 측정치를 산정하기 위한 상기 수단이 칼맨 필터를 실시한다. 다른 실시예에서 상기 실속 측정치를 산정하기 위한 수단이 고속 푸리에 변환(FFT) 알고리즘을 실시한다. 또 다른 실시예에서 상기 실속 측정치를 산정하기 위한 수단이 상관 적분 알고리즘을 실시한다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 적어도 하나의 압축기 특성값을 모니터링하는 수단을 제공하는 단계와, 실속 측정값을 산정하기 위한 수단을 제공하는 단계와, 상기 실속 측정값을 소정의 기선값과 비교하기 위한 수단을 제공하는 단계와, 상기 실속 측정값이 상기 기선값에서 벗어나면 보정 작용을 개시하는 수단을 제공하는 단계를 포함하는 압축기의 안정성 모니터링 및 제어 방법을 제공한다.
또 다른 실시예에 있어서, 압축기의 안정성 모니터링용 장치에 있어서, 적어도 하나의 압축기 특성값을 모니터링하기 위해 상기 압축기에 작동식으로 연결된 적어도 하나의 센서와, 상기 적어도 하나의 센서에 결합되어 상관 적분 알고리즘을 실시하여 상기 실속 전조를 산정하는 처리 장치 시스템과, 상기 실속 전조와 상기 소정의 기선 데이터를 비교하는 비교 측정기과, 상기 압축기에 작동식으로 연결되어 상기 실속 전조가 상기 압축기의 작동성의 소정 수준을 나타내는 상기 기선 테이터로부터 벗어나면 상기 압축기의 서지 및 실속을 방지하기 위해 보정 작용을 개시하는 제어기를 포함한다. 하나의 실시예에서, 상기 실속 전조 모니터링 알고리즘이 칼맨 필터이다. 다른 실시예에서, 상기 실속 전조 모니터링 알고리즘이 순간 고속 푸리에 변환이다. 또 다른 실시예에서, 상기 실속 전조 모니터링 알고리즘이 상관 적분이다. 또 다른 실시예에서, 상기 실속 전조 모니터링 알고리즘은 2차 가우스 마코브 프로세스에 의해 확대된 자동 회귀 모델을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 압축기에서의 회전 실속 및 서지에 대한 전조의 모니터링 방법을 제공하며, 상기 방법은 압축기를 통해 유동하는 가스의 압력 및 속도를 측정하는 단계와, 미래의 전조가 회전 실속 및 서지를 예상하게 하는 칼맨 필터를 사용하는 단계를 포함하는 전조가 압축기에서의 회전 실속 및 서지를 모니터링하는 방법에 있어서, 칼맨 필터는 오류 및 그 통계적 작동 상태의 식별과, 상기 오류와 측정된 압력 및 속도 값 사이의 관계와, 오류가 회전 실속 및 서지에 대한 전조의 예상에 영향을 미치는 방식을 이용한다.
본 발명의 이점은 본 발명의 바람직한 실시예가 본 발명의 수행을 의도하는 최고의 양식으로 도시하는 방법에 의해서 단순하게 도시되고 설명되는 다음의 상세한 설명으로부터 당업자들에게 명백해질 것이다.
도 1은 전형적인 가스 터빈 엔진의 개략도,
도 2는 압축기 제어 작동과 칼맨 필터를 이용한 회전 실속 및 서지(surge)에 대한 전조(precursors)의 검출의 개략도,
도 3은 도 2에 도시된 바와 같은 칼맨 필터의 상세도,
도 4는 실속 측정값을 산정하기 위해 순간 고속 푸리에 변환을 사용하는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 도면,
도 5는 실속 측정값을 산정하기 위해 상관 적분 알고리즘을 사용하는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 도면,
도 6은 실속 측정값을 추정하기 위해 2차 가우스 마코브 프로세스에 의해 확대된 자동 회귀 모델(auto-regression model)을 사용하는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 도면,
도 7은 도 1의 도시된 바와 같은 압축기 스테이지에 대해 Y축에 압축비를 그리고 X축에 기류를 도시하는 그래프.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 가스 터빈 엔진12 : 하우징
14 : 압축기18 : 연소실
20 : 안내 베인 부재22 : 로터 블레이드
24 : 터빈 로터30 : 센서
32 : A/D 컨버터34 : 교정 시스템
36 : 칼맨 필터38 : 검색표(LUT; look up table)
40 : 결정 시스템42, 142 : 제어 시스템
44 : 동적 상태 모델46 : 측정 모델
48 : 비교 측정기50 : 칼맨 게인
60 : 고속 푸리에 변환70 : 신호 처리 시스템
90 : 제 1 처리 시스템
도 1을 참조하면, 가스 터빈은 그 전방 단부에 접하는 하우징내에 축방향 유동형이 될 수 있는 압축기(14)를 구비하는 하우징(12)을 포함하는 것으로서 참조부호(10)로 나타낸다. 압축기(14)는 환형 공기 입구(16)를 통해 공기를 수납하고 연소실(18)로 압축된 공기를 운송한다. 연소실(18)내에서, 공기는 연료와 함께 연소되고 결과적으로 연소 가스는 로터를 구동시키기 위해 노즐 또는 안내 베인 구조물(20)에 의해 구동용 로터(24)의 로터 블레이드(22)로 배향된다. 샤프트(13)는 압축기(14)를 구비하는 터빈 로터(24)에 구동되게 연결된다. 터빈 블레이드(22)로부터, 배출 가스는 배출 덕트(19)를 통해 후방으로 주위 대기에 배출된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 예시적인 개략도가 블록 선도로 도시된다. 이러한 실시예에서, 압축기의 단일 스테이지가 도시된다. 실제로, 압축기는 몇몇 그러한 스테이지를 포함한다. 여기에, 예를 들면 압축기(14)를 통과해 유동하는 가스의 압력 및 속도, 압축기 케이싱상에 가해진 힘 및 진동 등과 같은 동적 압축기 특성값을 측정값하기 위해서 압축기(14)의 케이싱(26) 주위에 센서(30)를 배치한다. 동적 압력은 본 발명의 상세한 설명을 위한 예시적인 특성값으로 인식된다. 상술한 바와 같은 다른 압축기 특성값은 압축기(14)의 안정성을 평가하기 위해 모니터링되는 것이 이해될 것이다. 센서(30)로부터의 압력 데이터는 A/D 컨버터내에서 디지털화 및 표본화된다. A/D 컨버터(32)로부터의 디지털화된 신호는 칼맨(Kalman) 필터(36)와 오프라인 교정 시스템(34)에 의해서 수신된다. 소정의 데이터 량은 압축기(14)의 정상 작동 동안에 수집되며, 데이터의 시계열 분석은 교정 시스템(34)에 의해 실행되어 동적 모델 특성값을 산정하는 동시에 전 시간에 걸친 편차를 보정한다. 동적 모델 특성값은 칼맨 필터(36)에 수신되어 동적 모델 특성값과 A/D 컨버터(32)에 의해 디지털화된 새로운 압력 데이터를 결합시켜서 여과된 평가를 산정한다. 하기에 "혁신"으로 칭하는 측정된 데이터와 여과된 평가 사이의 차이는 실속 전조를 식별하기 위해 더 처리된다.
검색표(38)는 속도의 함수(rpm), 안내 베인의 각(IGVs) 및 압력 스테이지와 같은 실속 측정값으로 구성된다. LUT(38)를 구성하는 값은 오프라인 교정 장치(34)에 의해 처리된 실속 센서 데이터를 결정하기 위해 비교된다. 즉, LUT(38)는 압축기의 실속 측정값이 기대치가 되는 상태를 식별한다. 소정의 혁신의 횟수를 수집하는 중에, "혁신"의 표준 편차가 산정된다. "혁신"의 표준 편차의 크기는 판결 산정 시스템(40)의 기선 압축기에 대한 공지된 상관 관계와 비교된다. 판결 산정 시스템(40)은 칼맨 필터(36)로부터의 실속 측정값이 결정 시스템 내에수신된 기선값으로부터 벗어나는 것을 식별한다. 실속 또는 서지의 존재 및 부재는 "1/0"으로 표시되어 압축기의 안정성 여부를 식별한다. 그러나 칼맨 필터(36)에 의해 산정된 실속 측정값은 지속적으로 변화되는 신호로서 제어 시스템(42)이 실속 또는 서지를 식별하는 경우에서의 경감 작용을 개시한다. 경감 작용은 압축기(14)의 작동 라인의 특성값을 변화시킴으로써 개시될 수 있다. 혁신의 표준 편차의 크기는 압축기 작동이 불안정적으로 판단된다면 제어 시스템에 의한 적합한 작동을 위한 충분한 리드 타임(lead-time)을 가지도록 제어 시스템(42)에 정보를 제공함으로써 위험을 경감시킨다.
측정값된 전조 크기와 현재의 이동 함수를 통한 기선 실속 측정값 사이의 차이는 격하된 압축기 작동도 및 대응 압축기 작동성 측정값을 평가하기 위해, 즉 작동 실속 마진을 산정하고 설계 목적과 비교하기 위해 사용된다. 압축기의 작동성의 중요성은 그 뒤에 충분한가 그렇지 않은가 이다. 압축기의 작동성이 불충분한 것으로 판단된다면, 그 뒤에 능동 제어의 요구가 발생하여 압축기(14)를 능동적으로 제어하기 위한 명령이 제어 시스템(32)에 전달된다.
도 3을 참조하면, 참조부호(36)로 표시된 칼맨 필터가 개략적으로 도시되어 있다. 여기서 A/D 컨버터(32)로부터의 표본 압력 데이터가 참조부호(44)로 표시된 플랜트의 동적 상태 모델에 공급된다. 동적 상태 모델(44)은 측정값된 압력 데이터로부터 추정된 데이터(예를 들면, 본 실시예에서의 실속 전조 데이터)에 대해 사용된다. 동적 상태 모델(44)의 출력 신호는 센서(30)(도 2)로부터의 노이즈를 보정하도록 신호를 수정하는 측량 모델(46)에 의해 수신된다. 측량 모델(46)로부터의 보정된 출력 신호는 칼맨 필터(36)로부터의 여과된 평가가 센서 측정값의 번위내에 있는 것을 보장하기 위해 참조부호(50)로 표시된 칼맨 게인의 모니터링 용으로 제공된다. 또한, 비교 측정기(48)로부터의 출력 신호는 실속 측정값을 표시하는 표준 편차를 산정하는 장치(56)에 의해 수신된다. 실속 측정값은 판결 산정 장치(40) 및 제어 시스템(42)(도 2)에 제공된다.
측정된 압축 데이터와 기선 압축기 값의 비교는 압축기의 작동성을 표시한다. 이러한 압축기 작동성 데이터는 소망 제어 시스템의 압축기 서지를 방지하기 위한 보정 작용을 개시하기 위해 사용될 수 있으며, 따라서 다음의 근접 실속 작용을 회피하기 위해 요구될 수도 있는 부가적인 마진보다 높은 효율로 작동식으로 한다. 도 4에 도시된 바와 같이 압축기 실속의 개시를 표시하는 실속 전조 신호가 표시부(45) 또는 다른 계기 수단에 제공될 수도 있음으로써, 압축기 서지를 방지하고 근접 실속 작동을 회피하기 위한 보정 수단을 수동적으로 개시할 수 있다.
이제 도 4를 참조하면, 도 2의 개략도와 공통되는 구성 요소가 앞에 "1"이 첨가된 것을 제외하고는 동일한 참조부호로 표시되어 있는 다른 실시예가 도시되어 있다. 여기에, 순간 고속 푸리에 변환(FFT; Fast Fourier Transform) 알고리즘을 구비하는 신호 처리 장치 시스템은 실속 측정값을 산정하기 위해 사용된다. 압축기 데이터는 압축기 주위에 배치된 센서에 의해 시간의 함수로 측정된다. FFT는 측정된 데이터로 수행되며 측정 주파수에서의 크기의 변화는 식별되고 기선 압축기와 비교되어 압축기 안정성을 결정하며, 압축기 작동성의 소정의 수준을 유지하기 위해서 제어 시스템(142)에 의해 경감 작용을 개시한다.
도 5에 도시된 또다른 실시예에 있어서, 통계적 처리 상황에서 상관 적분 처리 방식을 구비하는 신호 처리 장치 시스템(70)은 실속 측정값을 산정하기 위해 사용된다. 또한 여기에서, 도 2의 개략도와 공통되는 구성 요소는 앞에 "2"가 첨가된 것을 제외하고는 동일한 참조부호로 표시되어 있다. 여기에, 안정적인 압축기에 대한 장기간의 통계적 상관 적분의 특성은 보다 낮은 제어 마진을 구하기 위해 사용된다. 상관 적분이 연속적으로 산정됨에 따라서, 적분의 크기는 각 서보 루프에서 보다 낮은 제한 마진과 비교된다. 압축기의 흥미로운 점은 보다 낮은 제어 마진과 비교될 때 통계적 처리 제어에서 상관 적분이 모든 법칙을 위반하지 않는다면 불안정적으로 판단되는 것이다. 상관 적분은 하기의 수학식 1에 의해 계산된다.
여기서,
Xi= 순간 시간(I)에서의 신호(x)
N = 표본의 총 수
rer = 근방 반경
C = 상관 적분
도 6에 도시된 또다른 실시예에 있어서, 실속 측정값은 2차 가오스 마코브 처리(a second order Gauss-Markov process)에 의해 확장된 자동 회귀 모델(AR;auto-regression)을 구비하는 신호 처리 장치 시스템(90)을 사용하여 결정된다. 여기에 다시, 도 2의 개략도와 공통된 구성 요소에 대해서는 앞에 "3"이 첨가된 것을 제외하고는 동일한 참조부호가 사용된다. AR 모델은 오프 라인 산정 장치(34)(도 2)에 의해 오프 라인 시계열 분석으로 구성될 수 있는 상태 가변 형태로 도시된다. AR 가우스 마코브 모델은 하기의 수학식 2 및 3을 따른다.
x(n+1) = Ax(n) + Gw(n)
y(n) = Cx(n) + Hw(n) + v(n)
수학식 2는 압축기(14)의 동적 상태, 플랜트 모델(44) 및 측량 모델 사이의 관계를 설명하며, "x"는 동적 상태를 나타내며, "A"는 플렌트 모델을 나타내며, "G"는 측량 모델을 나타내며, "w"는 노이즈 벡터이다. 수학식 3은 압축기(14)의 출력(y), 처리 모델 "C" 및 출력에서의 노이즈 "v"의 영향 사이의 관계를 설명하며, "H"는 출력에서의 센서 노이즈의 효과를 표시한다.
도 7을 참조하면, Y축의 압축비와 X축의 기류를 도표화한 것이 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 가스 터빈 엔진의 가속은 압축기 실속 및 서지를 초래할 수 있으며 압축기의 압축비가 최초로 임의의 임계점을 초과하여, 결과적으로 압축비 및 연소기로 전달된 기류가 뒤이어 격감된다. 그와 같은 상황이 발견되지 않고 지속되면 연소 온도 및 진동 응력은 가스 터빈에 손상을 일으킬 만큼 충분히 높아진다. 따라서, 압축기로의 개시의 모니터링 또는 전조에 반응하여 일으킨 보정 작용은 상술한 문제의 발생을 방지할 수 있다. 참조부호(92)로 표시된 OP LINE은 압축기(14)가 작동하는 작동 라인을 도시한다. 압축기내로의 기류가 증가됨에 따라서 압축기는 증가된 압축비로 작동될 수 있다. 마진(96)은 가스 터빈 엔진(10)이 도표에 도시된 바와 같은 OP LINE에 의한 설정값 이상의 값에서 일단 작동하면, 압축기 실속의 개시를 표시하는 신호가 발생되는 것을 나타낸다. 실시간 제어 시스템(42)에 의한 보정 측정값은 압축기 서지 및 압축기(14)의 근접 실속 작동을 회피하기 위해서 마진(96)내에서 일어날 수도 있다.
본 발명이 현재 가장 실제적이고 바람직한 실시예에 관해 설명된 것에 반하여 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않으며, 오히려 첨부된 청구항의 의도 및 범위내에 포함된 다양한 변경 및 동등한 논의 전반을 포함하려 한다는 것은 이해될 것이다.
본 발명은 회전 실속 및 서지의 예측 능력을 제공하여, 상기 불안정 요인과 같은 결과를 주도적으로 처리하기 위한 충분한 리드 타임을 갖는 실시간 제어 시스템에 정보를 제공하는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 능동적인 압축기(14) 모니터링 및 제어 방법에 있어서,
    ⓐ 적어도 하나의 압축기 특성값을 모니터링하는 단계와,
    ⓑ 시계열 데이터를 구하기 위하여 모니터링된 특성값을 분석하는 단계와,
    ⓒ 실속 전조를 결정하기 위해서 칼맨 필터를 사용하여 시계열 데이터를 처리하는 단계와,
    ⓓ 압축기 저하를 식별하기 위해서 실속 전조를 소정의 기선값과 비교하는 단계와,
    ⓔ 압축기 작동성의 소정 수준을 유지하도록 압축기 저하를 경감시키는 보정 작용을 수행하는 단계와,
    ⓕ 모니터링된 압축기 특성값이 소정의 범위내에 존재할 때까지 상기 보정 작용 수행 단계를 반복하는 단계를 포함하는
    압축기 모니터링 및 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 ⓒ 단계는 ① 시계열 데이터를 처리하여 동적 모델 특성값을 산정하는 단계와,
    ② 칼맨 필터내에서 동적 모델 특성값과 압축기 특성값의 새로운 측정값을 비교하여 여과된 평가치를 구하는 단계를 더 포함하는
    압축기 모니터링 및 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    ③ 여과된 평가치와 새로운 측정값 사이의 표준 편차를 산정하여 실속 전조를 구하는 단계를 더 포함하는
    압축기 모니터링 및 제어 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 보정 작용은 작동 라인 특성값을 변화시킴으로써 개시되는
    압축기 모니터링 및 제어 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 보정 작용은 압축기상의 부하를 감소시키는 단계를 포함하는
    압축기 모니터링 및 제어 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 작동 라인 특성값은 근접 영역값으로 설정되는
    압축기 모니터링 및 제어 방법.
  7. 압축기(14)의 안정성 모니터링용 장치에 있어서,
    적어도 하나의 압축기의 특성값을 모니터링을 위해서 상기 압축기에 작동식으로 연결된 적어도 하나의 센서(30)와,
    칼맨 필터를 구비하고, 상기 적어도 하나의 센서에 작동식으로 연결되었으며, 실속 전조를 산정하는 칼맨 필터를 실시하는 처리 장치 시스템(36)과,
    실속 전조와 소정의 기선 데이터를 비교하는 비교 측정기(40)와,
    상기 비교 측정기에 작동식으로 연결되었으며, 상기 실속 적조가 기선 데이터에서 벗어나는 경우 압축기의 서지 및 실속을 방지하기 위해 보정 작용을 개시하는 제어기(42)로서, 상기 기선 데이터는 소정 레벨의 압축기 작동성을 나타내는, 상기 제어기(42)를 포함하는
    압축기의 안정성 모니터링 장치.
  8. 압축기(14) 및 연소기(18)를 구비하는 형태의 가스 터빈에서 압축기의 안정성 모니터링 방법에 있어서,
    ⓐ 적어도 하나의 압축기 특성값을 모니터링하는 단계와,
    ⓑ 시계열 데이터를 구하기 위하여 모니터링된 특성값을 분석하는 단계와,
    ⓒ 실속 전조를 결정하기 위해서 칼맨 필터를 사용하여 시계열 데이터를 처리하는 단계와,
    ⓓ 압축기 저하를 식별하기 위해서 실속 전조를 소정의 기선값과 비교하는 단계와,
    ⓔ 압축기 작동성의 소정 수준을 유지하도록 압축기 저하를 경감시키는 보정작용을 수행하는 단계와,
    ⓕ 모니터링된 압축기 특성값이 소정의 범위내에 놓일 때까지 상기 보정 작용 수행 단계를 반복하는 단계를 포함하는
    압축기의 안정성 모니터링 방법.
  9. 압축기(14)의 안정성 모니터링 및 제어용 장치에 있어서,
    적어도 하나의 압축기 특성값을 측정하기 위한 수단(30)과,
    실속 측정값을 산정하기 위한 수단(36, 60, 70, 90)과,
    상기 실속 측정값을 소정의 기선값과 비교하기 위한 수단(40)과,
    상기 실속 측정값이 상기 기선에서 벗어나면 보정 작용을 개시하는 수단(42)을 포함하는
    압축기의 안정성 모니터링 및 제어용 장치.
  10. 압축기의 안정성 모니터링 및 제어 방법에 있어서,
    적어도 하나의 압축기 특성값을 모니터링하는 수단(30)을 제공하는 단계와,
    실속 측정값을 산정하기 위한 수단(36, 60, 70, 90)을 제공하는 단계와,
    상기 실속 측정값을 소정의 기선값과 비교하기 위한 수단(40)을 제공하는 단계와,
    상기 실속 측정값이 상기 기선값에서 벗어나면 보정 작용을 개시하는 수단(42)을 제공하는 단계를 포함하는
    압축기의 안정성 모니터링 및 제어 방법.
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