KR20150047497A - 가스터빈의 작동을 모니터링하기 위한 방법 - Google Patents

가스터빈의 작동을 모니터링하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

가스터빈의 작동을 모니터링하기 위한 방법. 본 발명은 가스터빈(10)의 작동을 모니터링하기 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 방법에서 가스터빈(10)의 작동 중에 부품에 배치된 가속 센서(40)에 의해 부품 진동들이 측정되고, 가속 센서(40)로부터 전달되고 처리된 신호(39)로부터 복수의 주파수 밴드들(fb)에 의해 복수의 신호 섹션들이 검출된다. 추후에 요구되지 않는 검사의 실행을 위한, 가스터빈(10)의 불필요한 정지 상태를 방지하고, 이로써 가스터빈(10)의 가용성을 증가시키기 위해, 신호 섹션들의, 해당 신호 섹션들의 진폭들이 주파수 밴드별 특유의 한계값보다 큰 진동 지속 시간들의 합산에 의해 전체 진동 지속 시간이 검출되는 것이 제안된다.

Description

가스터빈의 작동을 모니터링하기 위한 방법{METHOD FOR MONITORING THE OPERATION OF A GAS TURBINE}
본 발명은 가스터빈의 작동을 모니터링하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 방법에서 가스터빈의 작동 중에 부품에 배치된 가속 센서에 의해 부품 진동들이 측정되고, 상기 가속 센서로부터 전달된 신호로부터 복수의 주파수 밴드들에 의해 복수의 신호 섹션들이 검출된다.
상기 유형의 모니터링 방식들이 가스터빈에서 빈번하게 이용되는데, 그 이유는 가스형 및 액체형 연료들의 연소 시에, 연소 공간을 둘러싸는 부품들을 운동으로 전환할 수 있는 연소 진동들이 발생할 수 있기 때문이다. 이때, 상기 연소 공간을 둘러싸는 부품들은 연소 챔버로 지칭되고, 이때 상기 유형의 연소 진동들은 단일의 환형 연소 챔버만을 구비한 가스터빈들에서 발생할 뿐만 아니라, 주연에 걸쳐 균일하게 분배된 복수의 환형 연소 챔버들을 구비한 가스터빈들에서도 발생할 수 있다. 이러한 환형 연소 챔버들은 영어로 "cans"로 지칭된다. 이러한 가속 센서들은, 한편으로 가속의 크기를 제공하고, 다른 한편으로 연소 챔버 가속들의 주파수 스펙트럼을 재현하는 신호를 제공한다.
종래 기술에서, 예컨대, 1초보다 짧은, 짧은 시간 간격들의 연속적인 시간 신호는 푸리에-변환에 의해 상응하는 시간 간격을 나타내는 불연속적 주파수 신호로 처리된다. 그래서, 이 같이 검출된, 상기 처리된 신호의 주파수 스펙트럼은 복수의 주파수 밴드들로 세분되고, 각각의 주파수 밴드에 대해 개별 한계값이 결정된다. 해당 한계값을 초과하는 진폭을 갖는 진동들이 주파수 밴드 내에서 발생하는 경우에, 가스터빈 조작자에게 경고가 표시되고, 필요하다면, 부품에 해를 끼치는 진동들로부터 연소 챔버들을 보호하기 위해, 가스터빈의 긴급 차단이 실행된다. 이러한 차단은 당업자에 의해 "Trip"으로 지칭된다.
그러나, "Trip"을 활성화하지 않는, 연소 챔버의 가속들도 구조 역학적 손상들을 초래할 수 있다. 그래서, 세라믹 단열 벽돌들에 의해 라이닝된 환형 연소 챔버들의 경우 벽돌들 내 균열이 발생할 수 있고, 이는 상기 환형 연소 챔버들의 안정화와 무결성에 부정적인 영향을 끼친다. 게다가, 예컨대, 균열 내로의 고온 가스 유입에 의한 벽돌들의 지지 구조에서의 스케일의 형태로 후속 손상들이 발생할 수 있다.
이러한 이유로, 연소 챔버들, 특히 벽돌로 형성된 환형 연소 챔버들은 검사 중에 규칙적인 시간 간격들로 외관 검사를 실행한다. 이로 인해, 상기 유형의 결함들은 조기에 확인될 것이다. 그리고 나서, 결함들이 존재할 시에 손상을 입은 컴포넌트들 또는 부품들이 교체된다. 그러나, 가스터빈의 외관 검사는 가스터빈의 가용성을 저하시키는 정지 시간들을 요구한다.
손상 판정이 내려지지 않으면서, 외관 검사가 실행되는 것도 밝혀졌다. 이러한 경우에, 외관 검사는 불필요하게 실행되었다.
그러므로, 본 발명의 과제는 가스터빈의 작동을 모니터링하기 위한 방법을 제공하는 것이고, 상기 방법에서는 외관 검사를 위한 가스터빈의 지금까지 불필요했던 정지 상태들이 방지될 수 있다.
본 발명의 과제는 청구항 제1항의 특징들에 따른 방법에 의해 해결된다.
가스터빈의 작동을 모니터링하기 위한 본 발명에 따른 방법이며, 상기 방법에서는 가스터빈의 작동 중에 부품에 배치된 가속 센서에 의해 부품 진동들이 측정되고, 상기 방법은 가속 센서로부터 전달된 신호에 기초하는, 가속을 나타내는 신호로부터, 하나의 주파수 밴드에 의해 또는 복수의 주파수 밴드들에 의해 하나의 신호 섹션 또는 복수의 신호 섹션들로 세분되고, 개별 신호 섹션들 내 최대 진폭들이 관련된 주파수 밴드별 특유의 한계값보다 큰 시간 간격들의 계산에 의해 전체 진동 지속 시간이 검출되는 것이 제공된다. 바람직하게 상기 부품은 연소 챔버로서 형성되어서, 상기 연소 챔버에 배치된 센서에 의해 연소 챔버 진동들 및/또는 연소 챔버 가속들이 측정된다. 그리고 나서, 센서로부터 제공된 신호는 푸리에-변환에 의해, 일반적으로 1초보다 짧은, 짧은 시간 간격들로 처리되고 나서, 이러한 짧은 시간 간격에서의 가속화들을 나타내는 신호가 추가 처리된다.
상기에 처리된 신호로부터, 주파수 밴드에 따라, 진동 지속 시간에 의해 가중된, 상응하는 시간 간격들의 계산에 의해 전체 진동 지속 시간이 검출된다. 시간 간격들이 계산되거나 전체 진동 지속 시간이 검출되는지의 여부와 무관하게, 관련된 주파수 밴드별 특유의 한계값보다 커지는, 손상을 일으키는 주파수 밴드들 내의 진폭들이 발생하는 시간 간격들만 고려된다. 이러한 주파수 밴드별 특유의 한계값들은 "Trip"을 활성화하는 한계값들과 비교하여 더 낮을 수 있다. 주파수 밴드들의 모든 한계값들은 동일한 크기일 수도 있다.
그러므로, 본 발명은, 비교적 큰 진폭을 갖는 각각의 주파수가 진동 부품과 인접 부품들에 손상을 끼치지는 않는다는 지식에 기초한다. 이러한 점에서, 본 발명은 상기 유형의 진폭들을 걸러내는 해결책을 제공한다.
바람직하게, 최대로 허용된 전체 진동 지속 시간 또는 계산 한계값을 조기에 달성하지 않기 위해, 처리된 신호로부터, 결국 손상을 일으키는 진폭들이 발생할 수 있는 몇몇 신호 섹션들이 선택되는 것이 제공된다. 다시 말해: 본 발명에서는 비교적 큰 진폭들에도 불구하고 가스터빈 부품들에 손상을 끼치지 않는 주파수들을 갖는 주파수 밴드들이 고려되지 않는다.
이를 위한 대안으로, 손상을 끼치지 않는 주파수들이 발생하는 주파수 밴드들에는, 전혀 도달되지 않는 값의 크기로 선택되는 한계값이 할당될 수도 있을 것이다. 이러한 점에서, 상기 주파수 밴드들에 대해서는, 전체 진동 지속 시간에 합해질 수 있는 진동 지속 시간이 전혀 발생하지 않는다.
상기의 제안된 해결책에 의해, 가스터빈의 불필요한 정지 상태들과 이로 인해 도출되는 판정 없는 검사들이 방지될 수 있는데, 이는 가스터빈의 가용성을 증가시킬 수 있다.
그러므로, 부품, 특히 연소 챔버들에 대해 문제가 되는 주파수 밴드 내에 위치하는 가속들만 합산된다. 문제가 되지 않는 다른 주파수 밴드들 내의 발생하는 가속들은 본 발명에 따라 고려되지 않는다.
본 발명의 바람직한 실시예들과 개선예들은 종속항들에 제시된다. 이들은 원하는 방식으로 서로 조합될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라, 카운터는 한계값과 비교되거나, 전체 진동 지속 시간은 전체 진동 지속 시간-한계값과 비교되어, 전체 진동 지속 시간-한계값의 초과 시에 가스터빈의 검사, 가스터빈의 정비 및/또는 가스터빈 부품들의 교체가 실행된다.
그러므로, 가스터빈의 작동을 모니터링하고 상기 방법을 실행하기 위한 장치는, 진동들에 의해 진동으로 여기될 수 있는, 가스터빈의 부품의 가속을 측정하기 위한 하나 이상의 가속 센서와, 진동하는 부품의 진동 지속 시간의 합산에 의한 전체 진동 지속 시간을 계산하기 위한 계산 유닛을 구비하고, 이때 상기 합산은 주파수 밴드에 따라 이루어진다.
상기 장치를 위해 도출되는 장점들은 본 발명에 따른 방법에 상응한다.
바람직하게, 상기 장치는 본 발명에 따른 방법을 실행하기에 적합하다.
본 발명은 실시예에 의해 더 상세히 설명된다. 본 발명의 추가의 장점들과 특징들은 도면 설명부에 제시된다.
도 1은 고정식 가스터빈의 부분 종단면도이다.
도 2는 시점(t=t0)에 가속 센서에 의해 측정된 신호의 주파수 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 1에는 고정식 가스터빈(10)의 부분 종단면이 도시된다. 가스터빈(10)은, 터빈 회전자로도 지칭되는, 회전축(12)을 중심으로 회전 지지된 로터(14)를 내부에 구비한다. 로터(14)를 따라, 흡입 하우징(16), 축방향 터보 압축기(18), 서로에 대해 회전 대칭형으로 배치된 복수의 버너들(22)을 구비한 원환체 형태의 환형 연소 챔버(20), 터빈 유닛(24), 및 터빈 배출 하우징(26)이 연속한다.
축방향 터보 압축기(18)는, 로터 블레이드 링들과 가이드 베인 링들로 구성된, 내부에 캐스캐이드 방식으로 연속하는 압축기 단들을 갖는, 환형으로 형성된 압축기 채널(25)을 포함한다. 로터(14)에 배치된 로터 블레이드들(27)의 자유 단부를 형성하는 에어포일 팁들(29)은 압축기 채널(25)의 외부 채널 벽부(42)에 대향한다. 압축기 채널(25)은 압축기 배출 디퓨저(36)를 거쳐 플레늄(38) 내로 통한다. 상기 플레늄 내에서 환형 연소 챔버(20)에는, 터빈 유닛(24)의 환형 고온 가스 채널(30)과 연통하는 연소 공간(28)이 제공된다. 터빈 유닛(24) 내에는 연속 장착된 4개의 터빈 단들(32)이 배치된다. 로터(14)에는 제너레이터 또는 (각각 도시되지 않는) 작동 기계가 연결된다.
가스터빈(10)의 작동 중에 축방향 터보 압축기(18)는 흡입 하우징(16)을 통해 압축될 매체로서 주변 공기(34)를 흡입하고, 이러한 주변 공기를 압축한다. 이렇게 압축된 공기는 압축기 배출 디퓨저(36)를 통해 플레늄(38) 내로 안내되고, 상기 플레늄으로부터 버너(22) 내로 유입된다. 버너(22)를 거쳐 연료도 연소 공간 (28) 내로 도달한다. 거기서, 연료는 압축된 공기의 첨가 하에 고온 가스(M)로 연소된다. 그리고 나서, 고온가스(M)는 고온 가스 채널(30) 내로 유입되고, 작동을 달성하도록 터빈 유닛(24)의 터빈 블레이드들에서 팽창된다. 그러는 동안에 방출된 에너지는 로터(14)에 의해 흡수되고, 한편으로 축방향 터보 압축기(18)의 구동에 이용되고, 다른 한편으로 작동 기계 또는 전기 제너레이터의 구동에 이용된다.
환형 연소 챔버(20)에는 환형 연소 챔버(20)의 가속을 측정하기 위한 하나 이상의 가속 센서(40)가 배치된다. 복수의 센서들(40)도 제공될 수 있는데, 상기 센서들로부터 결과로 도출되는 신호가 검출되거나, 신호들이 본 발명에 상응하게 따로 처리된다. 상기 센서 신호 및/또는 센서 신호들은 신속한 푸리에-변환에 의해 실시간으로 처리되고, 불연속적 주파수 신호들(39)로서 추가 처리된다. 이러한 주파수 신호들은 하기에서 처리된 신호들(39)로 표시된다.
도 2에는, 상응하는 시간 간격을 나타내는, 시점(t=t0)에 가속 센서(40)의 처리된 신호(39)가 도시된다. 이와 동시에, 그래프에는 (i=1...n)에 대한 복수의 한계 주파수들(fi)이 도시된다. 상기 실시예에서, 전체적으로 7개의 한계 주파수들(f1 내지 f7)이 존재한다. (i=1...n)에 대한 한계 주파수들(fi)에 의해 n-1 주파수 밴드들(fbi, i+ 1)은 규정될 수 있다. 주파수 밴드들(fb)은 한계 주파수들의 상응하는 인덱스들을 얻으므로, 예컨대 양 한계 주파수들(f3 및 f4) 사이에 주파수 밴드(fb34)가 존재한다. 도시된 실시예에서, 주파수 밴드(fb34)에서 발생하는 신호 섹션은 가스터빈(10)의 모니터링될 부품으로서 환형 연소 챔버(20)의 가속을 위해 가장 큰 진폭을 갖는다. 물론, 처리된 신호(39)는 바로 연속하는 신호 섹션들로 완전히 분할될 필요는 없다. 물론, 서로 이격된 개별 주파수 밴드들(fb)만이 제공되고, 이에 따라 서로 이격된 개별 신호 섹션들이 모니터링되는 가능성도 있다. 이를 위한 일 예시는, 본 발명에 따른 방법을 위한 2개의 주파수 밴드들의, 예컨대 (fb12 및 fb34)의 단독적인 이용일 수 있다.
완전함을 위해, 상기 실시예에 도시된, (i=1...6)에 대한 각각의 주파수 밴드(fbi, i+ 1)에 대한 한계값(GW)이 도 2에 따른 그래프에 도시된다. 이로 인해, 주파수 밴드들(fb)에 대한 인덱싱에 상응하게 (i=1...6)에 대한 7개의 한계값들(GWi, i+1)이 존재한다. 이러한 한계값들(GW)은 상이한 크기의 값들일 수 있다
바람직한 일 방법에 따라, 전체 진동 지속 시간이 검출될 수 있다. 상기의 전체 진동 지속 시간의 검출 시에 주파수 밴드의 신호 섹션, 또는 가속 센서(40)의 시간에 따라 변화되고 처리된 신호(39)의 복수의 주파수 밴드들의 각각의 신호 섹션들은 연속적으로 모니터링된다. 상기 주파수 밴드(fb) 또는 복수의 주파수 밴드들(fb)에서 실제로 발생하는, 해당 신호 섹션들의 진폭(들)이 주파수 밴드별 특유의 한계값(GW)보다 크면, 해당 신호 섹션들의 진폭들이 관련된 주파수 밴드별 특유의 한계값(GW)보다 커지는 시간이 전체 진동 지속 시간에 합해진다. 이는 관찰된 각각의 주파수 밴드(fb)에 적용된다.
본 발명은, 모니터링된 부품, 대개는 환형 연소 챔버(20)의 가속의 비교적 큰 각각의 진폭이 해당 부품에 손상을 끼치는 것은 아니라는 지식에 기초하기 때문에, 주파수 밴드들(fb)의 외부에 존재하는, 가속 센서(40)의 처리된 신호(39)의 몇몇 신호 섹션들이 고려되지 않은 채로 유지된다.
손상을 일으키지 않는 주파수 밴드(fb)를 고려하지 않는 것은, 상기 주파수 밴드의 한계값(GW)이, 가스터빈(10)의 작동 시에 물리적으로 전혀 달성되지 않는 정도의 큰 값으로 결정됨으로써 달성될 수도 있을 것이다.
추가로, 전체 진동 지속 시간은 전체 진동 지속 시간-한계값과 비교되고, 전체 진동 지속 시간이 전체 진동 지속 시간-한계값을 초과하는 경우에, 가스터빈(10)의 검사, 가스터빈(10)의 정비, 및/또는 가스터빈 부품들의 교체가 실행되는 것이 제공된다.
그러므로 전체적으로, 본 발명은 가스터빈(10)의 작동을 모니터링하기 위한 방법에 관한 것이고, 상기 방법에서는 가스터빈(10)의 작동 중에 부품 진동들이 부품에 배치된 가속 센서(40)에 의해 측정되며, 가속 센서(40)로부터 전달되고 처리된 신호(39)로부터 복수의 주파수 밴드들(fb)에 의해 복수의 신호 섹션들이 검출된다. 추후에 요구되지 않는 검사의 실행을 위한, 가스터빈(10)의 불필요한 정지 상태를 방지하고, 이로써 가스터빈(10)의 가용성을 증가시키기 위해, 신호 섹션들의, 해당 신호 섹션들의 진폭들이 주파수 밴드별 특유의 한계값보다 큰 진동 지속 시간들의 합산에 의해 전체 진동 지속 시간이 검출되는 것이 제안된다.

Claims (8)

  1. 가스터빈(10)의 작동을 모니터링하기 위한 방법이며,
    상기 방법에서 가스터빈(10)의 작동 중에 부품에 배치된 가속 센서(40)에 의해 부품 진동들이 측정되고, 가속 센서(40)로부터 전달된 신호에 기초한, 가속들을 나타내는 불연속적 주파수 신호(39)는 하나의 주파수 밴드(fb)에 의해 또는 복수의 주파수 밴드들(fb)에 의해 하나의 신호 섹션 또는 복수의 신호 섹션들로 세분되고,
    이때, 상기 불연속적 주파수 신호는 신호의 상응하는 시간 간격을 나타내는, 가스터빈의 작동을 모니터링하기 위한 방법에 있어서,
    해당 신호 섹션들의 진폭들이 관련 주파수 밴드별 특유의 한계값(GW)보다 커지는, 신호 섹션들의 시간 간격들이 계산되는 단계를 특징으로 하는, 가스터빈의 작동을 모니터링하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상응하는 시간 간격들의, 시간 간격의 길이에 의해 가중된 계산에 의해 전체 진동 지속 시간이 검출되는, 가스터빈의 작동을 모니터링하기 위한 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 계산 유닛이 진동하는 부품의 복수의 주파수 밴드들(fb)의 진동 지속 시간을 합산하는, 가스터빈의 작동을 모니터링하기 위한 방법.
  4. 제1항, 제2항, 또는 제3항에 있어서, 카운터는 한계값과 비교되거나, 전체 진동 지속 시간은 전체 진동 지속 시간-한계값과 비교되고, 전체 진동 지속 시간-한계값의 초과 시에 가스터빈(10)의 검사, 가스터빈(10)의 정비 및/또는 가스터빈 부품들의 교체가 실행되는, 가스터빈의 작동을 모니터링하기 위한 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부품을 여기하는 진동은 연소 진동들이고 상기 부품은 연소 챔버로 형성되는, 가스터빈의 작동을 모니터링하기 위한 방법.
  6. 가스터빈(10)의 작동을 모니터링하기 위한 장치이며,
    상기 장치는, 진동들에 의해 진동으로 여기될 수 있는, 가스터빈(10)의 부품의 가속을 측정하기 위한 하나 이상의 가속 센서(40)와, 진동하는 부품의 진동 지속 시간의 합산에 의해 전체 진동 지속 시간을 계산하기 위한 계산 유닛을 구비하고,
    이때, 상기 합산은 주파수에 따라 이루어지는, 가스터빈의 작동을 모니터링하기 위한 장치.
  7. 제6항에 있어서, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기에 적합한, 가스터빈의 작동을 모니터링하기 위한 장치.
  8. 진동으로 여기될 수 있는, 제6항에 따른 장치의 부품인 연소 챔버를 갖는, 제6항 또는 제7항에 따른 장치를 구비한 가스터빈.
KR1020157004744A 2012-08-30 2013-07-25 가스터빈의 작동을 모니터링하기 위한 방법 KR20150047497A (ko)

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