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Diese
Erfindung betrifft nicht intrusive Techniken zur Überwachung
der Stabilität
rotierender mechanischer Komponenten. Insbesondere betrifft die
vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur proaktiven Überwachung
der Betriebsfähigkeit
oder Stabilität
und des Leistungsverhaltens eines Verdichters durch Detektion von
Indikatoren oder Vorläufern
für eine
rotierende Strömungsablösung (Rotating
Stall) und für
ein Verdichterpumpen (Surge).
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Ein
bekanntes Verfahren und eine bekannte Vorrichtung zur Durchführung einer
derartigen Überwachung
ist in der EP-A-0 516 534 beschrieben. Diese Druckschrift veranschaulicht
eine Überwachung
wenigstens eines Verdichterparameters und eine Analyse des wenigstens
einen überwachten
Parameters, um Zeitseriendaten zu gewinnen.
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Der
globale Markt für
effiziente Energieerzeugungseinrichtungen ist seit der Mitte der
1980er Jahre mit hoher Geschwindigkeit gewachsen – dieser
Trend soll sich in der Zukunft fortsetzen. Das Gasturbinen-Kombinationskraftwerk
(Gas Turbine Combined-Cycle Power Plant), das einen auf einer Gasturbine
basierenden Topping-Zyklus und einen auf einem Rankine-Prozess basierenden
Bottoming-Zyklus umfasst, gehört
weiterhin zu der bevorzugten Kundenwahl bei der Energieerzeugung.
Dies kann auf die verhältnismäßig niedrigen Anlageninvestitionskosten
und auf den ständig
verbesserten Betriebswirkungsgrad des auf der Gasturbine basierenden
Kombinationszyklus zurückzuführen sein,
die gemeinsam die Kosten der Energieerzeugung auf ein Minimum reduzieren.
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In
Gasturbinen, die zur Stromerzeugung verwendet werden, muss einem
Verdichter ermöglicht
sein, bei hohem Druckverhältnis
zu arbeiten, um eine hohe Triebwerkseffizienz zu erreichen. Während des
Betriebs einer Gasturbine kann ein als Strömungsablösung (Stall) des Verdichters
bekanntes Phänomen
auftreten, bei dem das Druckverhältnis
des Turbinenverdichters anfänglich
einen kritischen Wert bei einer gegebenen Drehzahl übersteigt,
was eine nachfolgende Reduktion des Druckverhältnisses des Verdichters und
der Luftströmung,
die dem Triebwerksverdichter zugeführt wird, zur Folge hat. Eine
Strömungsablösung des
Verdichters kann sich aus unterschiedlichen Gründen ergeben, beispielsweise
wenn das Triebwerk zu schnell beschleunigt wird oder wenn das Einlassprofil
des Luftdrucks oder der Temperatur während eines normalen Betriebs des
Triebwerks unzulässig
beeinträchtigt
wird. Ein Verdichterschaden auf Grund des Ansaugens von Fremdkörpern oder
einer Fehlfunktion eines Teils des Triebwerkssteuerungssystems kann
ebenfalls zu einer Strömungsablösung in
einem Verdichter und einer nachfolgenden Beeinträchtigung des Verdichters führen. Falls die
Strömungsablösung des
Verdichters unerkannt bleibt und es zugelassen wird, dass sich diese
fortsetzt, können
die Verdichtertemperaturen und die Schwingungsbeanspruchungen, die
in den Verdichter eingeleitet werden, hinreichend hoch werden, um
einen Schaden an der Turbine herbeizuführen.
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Es
ist allgemein bekannt, dass erhöhte
Feuerungstemperaturen Steigerungen des Wirkungsgrads des Kombinationszyklus
und der speziellen Energie ermöglichen.
Es ist ferner bekannt, dass für
eine gegebene Feuerungstemperatur ein optimales Druckverhältnis des
Zyklus identifiziert wird, das den Wirkungsgrad des Kombinationszyklus
auf ein Maximum steigert. Es ist theoretisch gezeigt worden, dass
dieses optimale Zyklusdruckverhältnis
mit einer Erhöhung
der Feuerungstemperatur steigt. Axialströmungsverdichter sind somit
den Anforderungen nach ständig
erhöhten
Größen des
Druckverhältnisses
bei den nebengeordneten Zielen minimaler Anzahl von Bauteilen, eines
einfachen Betriebsaufbaus und niedriger Gesamtkosten ausgesetzt.
Ferner wird erwartet, dass ein Axialströmungsverdichter bei einer erhöhten Größe des Zyklusdruckverhältnisses
mit einem Verdichterwirkungsgrad arbeitet, der den Gesamtzykluswirkungsgrad
steigert. Es wird ferner erwartet, dass der Axialverdichter in einer
aerodynamisch und aeromechanisch stabilen Weise über einem weiten Bereich des
Mengendurchsatzes arbeitet, der mit der variierenden Stromausgangscharakteristik
des Kombinationszyklusbetriebes verbunden ist.
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Die
allgemeine Anforderung, die zu der vorliegenden Erfindung geführt hat,
war der Bedarf des Marktes nach industriellen Gasturbinen, die einen
verbesserten Kombinationszykluswirkungsgrad aufweisen und auf Technologien
basieren, die sich als höchst
zuverlässig
und verfügbar
erwiesen haben.
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Gemäß einem
Lösungsansatz
wird der Zustand eines Verdichters durch Messung der Luftströmung und
des Druckanstiegs über
dem Verdichter überwacht.
Es wird im Vorfeld (a-priori) ein Bereich mit Werten für den Druckanstieg
ausgewählt, über dem
der Verdichterbetrieb als instabil oder nicht betriebsfähig angesehen und
das Triebwerk abgeschaltet wird. Derartige Druckveränderungen
können
auf mehrere Ursachen zurückzuführen sein,
wie beispielsweise eine instabile Verbrennung, rotierende Strömungsablösung (Rotating
Stall) und Pumpereignisse (Surge) an dem Verdichter selbst.
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Um
diese Ereignisse zu erkennen, wird die Stärke und Änderungsrate des Druckanstiegs über dem Verdichter überwacht.
Wenn ein derartiges Ereignis auftritt, kann die Stärke des
Druckanstiegs scharf abfallen, so dass ein Algorithmus, der die
Stärke
und ihre Änderungsrate überwacht,
dieses Ereignis erkennen kann. Dieser Lösungsansatz bietet jedoch nicht
die Möglichkeit
einer Vorhersage einer rotierenden Strömungsablösung oder eines Verdichterpumpens
und ist nicht in der Lage, eine Information für ein Echtzeit-Steuerungssystem
mit ausreichend Vorlaufzeit bereitzustellen, um proaktiv mit derartigen
Ereignissen fertigzuwerden.
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Demgemäß bietet
die vorliegende Erfindung eine Lösung
für den
gleichzeitigen Bedarf nach hohen Zyklusdruckverhältnissen gemeinsam mit einem
hohen Wirkungsgrad und einer breiten Pumpgrenze über dem Betriebsbereich eines
Verdichters. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf ein
System und Verfahren und proaktiven Überwachung und Steuerung der
Stabilität
oder Betriebsfähigkeit
eines Verdichters unter Verwendung von Vorläufern oder Indikatoren für eine Strömungsablösung gerichtet,
wobei die Strömungsablösungsindikatoren
mittels eines Kalman-Filters erzeugt werden. In der beispielhaften
Ausführungsform
ist wenigstens ein Sensor an dem Verdichter angeordnet, um die dynamischen
Verdichterparameter, wie beispielsweise Druck und Geschwindigkeit
der durch den Verdichter strömenden
Gase, auf das Verdichtergehäuse
einwirkende Kraft und Schwingungen etc., zu messen. Die gemessenen
Sensordaten werden gefiltert und abgespeichert. Nach der Sammlung
und Digitalisierung einer im Voraus spezifizierten Menge von Daten
durch die Sensoren wird eine Zeitserienanalyse an den überwachten
Daten durchgeführt,
um Parameter eines dynamischen Modells zu erhalten.
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Das
Kalman-Filter verknüpft
die Parameter des dynamischen Modells mit kürzlich überwachten Sensordaten und
berechnet eine gefilterte Schätzung.
Das Kalman-Filter aktualisiert seinen gefilterten Schätzwert eines
nachfolgenden Datensample basierend auf dem neuesten Datensample.
Die Differenzen zwischen den überwachten
Daten und dem gefilterten Schätzwert,
die als „Neuerungen" bezeichnet werden,
werden einem Vergleich unterzogen, und es wird eine Standardabweichung
der Neuerungen berechnet, nachdem eine vorbestimmte Anzahl von Vergleichen
durchgeführt
worden ist. Die Größe der Standardabweichung
wird mit derjenigen einer bekannten Korrelation für den Basislinienverdichter
verglichen, wobei die Differenz dazu verwendet wird, eine Betriebszuordnung
eines beeinträchtigten
Verdichters abzuschätzen.
Ein entsprechender Messwert der Betriebsfähigkeit des Verdichters wird
berechnet und mit einem Gestaltungsziel verglichen. Falls die Betriebsfähigkeit
des Verdichters als nicht ausreichend angesehen wird, werden durch
das Echtzeit-Steuerungssystem Korrekturvorgänge eingeleitet, um proaktiv
jeder möglichen
rotierenden Strömungsablösung und möglichen
Pumpereignissen zuvorzukommen und diese zu abzuschwächen, wodurch
ein erforderliches Niveau der Betriebsfähigkeit des Verdichters aufrechterhalten
wird.
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Einige
der Korrekturvorgänge
können
eine Veränderung
der Betriebsliniensteuerungsparameter enthalten, wie beispielsweise
eine Anpassung von Einstellungen der variablen Leitschaufeln des
Verdichters, der Einlassluftwärme,
der Abzapfluft des Verdichters, des Brennstoffgemisches der Brennkammer,
etc., um den Verdichter in der Nähe
eines Schwellenwertes zu betreiben. Vorzugsweise werden die Korrekturvorgänge vor dem
Auftreten eines Verdichterpumpereignisses und innerhalb einer Grenze
eingeleitet, die zwischen einem Schwellenwert der Betriebslinie
und dem Auftreten eines Verdichterpumpereignisses identifiziert
wird. Diese Korrekturschritte werden iterativ wiederholt, bis das
gewünschte
Niveau der Betriebsfähigkeit
des Verdichters erreicht wird.
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Ein
Kalman-Filter enthält
ein dynamisches Modell von Systemfehlern, die durch einen Satz linearer Differentialgleichungen
erster Ordnung gekennzeichnet sind. Somit weist das Kalman-Filter
Gleichungen auf, in denen die Variablen (Zustandsvariablen) jeweiligen
Fehlerquellen entsprechen – die
Gleichungen drücken die
dynamische Beziehung zwischen diesen Fehlerquellen aus. Es werden
Wichtungsfaktoren angewandt, um den relativen Beitrag der Fehler
zu berücksichtigen.
Die Wichtungsfaktoren sind hinsichtlich ihrer Werte in Abhängigkeit
von der berechneten gleichzeitigen minimalen Varianz der Beiträge der Fehler
optimiert. Das Kalman-Filter schätzt
die Werte der Zustandsvariablen ständig neu ab, wenn es neue Messwerte
empfängt,
wobei es gleichzeitig sämtliche
vergangenen Messungen mit berücksichtigt,
wodurch es somit in der Lage ist, einen Wert eines oder mehrerer
gewählter
Parameter basierend auf einem Satz von Zustandsvariablen vorherzusagen,
die rekursiv von den jeweiligen Eingangsgrößen aktualisiert werden.
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Gemäß einem
ersten Aspekt bietet die Erfindung ein Verfahren zur proaktiven Überwachung
und Steuerung eines Verdichters, das die Schritte aufweist: (a) Überwachung
wenigstens eines Verdichterparameters; (b) Analyse des überwachten
Parameters, um Zeitseriendaten zu erhalten; (c) Verarbeitung der
Zeitseriendaten unter Verwendung eines Kalman-Filters, um Vorläufer oder
Indikatoren für
eine Strömungsablösung (engl.: Stall
Precursors) zu bestimmen; (d) Vergleich der Indikatoren für eine Strömungsablösung mit
vorbestimmten Basislinienwerten, um eine Verdichterbeeinträchtigung
zu identifizieren; (e) Durchführung
von Korrekturvorgängen,
um eine Verdichterbeeinträchtigung
abzuschwächen,
um ein vorgewähltes
Niveau der Betriebsfähigkeit
des Verdichters aufrechtzuerhalten; und (f) Wiederholung des Ausführungsschrittes
des Korrekturvorgangs, bis der überwachte
Verdichterparameter innerhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes
liegt. Der Schritt (c) des Verfahrens kann ferner aufweisen: i)
Verarbeitung der Zeitseriendaten, um Parameter eines dynamischen
Modells zu berechnen; und ii) Verknüpfung der Parameter des dynamischen
Modells mit einem neuen Messwert des Verdichterparameters in dem
Kalman-Filter, um einen gefilterten Schätzwert zu erzeugen; iii) Berechnung
einer Standardabweichung der Differenz zwischen dem gefilterten
Schätzwert
und dem neuen Messwert, um Strömungsablösungsindikatoren
zu erzeugen. Korrekturvorgänge
werden vorzugsweise durch Veränderung
der Betriebslinienparameter eingeleitet. Die Korrekturvorgänge enthalten
eine Reduktion der Belastung an dem Verdichter. Vorzugsweise werden
die Betriebslinienparameter in der Nähe eines Schwellenwertes festgesetzt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung
zur Überwachung
der Betriebsfähigkeit
oder Stabilität
eines Verdichters bereit, wobei die Vorrichtung aufweist: wenigstens
einen Sensor, der betriebsmäßig mit
dem Verdichter verbunden ist, um wenigstens einen Verdichterparameter
zu überwachen;
ein Prozessorsystem, das ein Kalman-Filter aufweist und betriebsmäßig mit
dem wenigstens einen Sensor verbunden ist, wobei das Prozessorsystem
Indikatoren für
eine Strömungsablösung berechnet;
einen Komparator, der die Strömungsablösungsindikato ren
mit vorbestimmten Basisliniendaten vergleicht; und eine Steuerung,
die mit dem Komparator betriebsmäßig verbunden
ist, wobei die Steuerung Korrekturvorgänge einleitet, um ein Verdichterpumpen
und eine Strömungsablösung zu
verhindern, falls die Indikatoren für eine Strömungsablösung von den Basisliniendaten
abweichen, wobei die Basisliniendaten ein vorbestimmtes Niveau der
Betriebsfähigkeit
des Verdichters kennzeichnen. Die Vorrichtung kann ferner einen
Analog/Digital (A/D)-Wandler, der mit dem wenigstens einen Sensor
betriebsmäßig verbunden
ist, um Eingangsdaten von dem wenigstens einen Sensor abzutasten
und zu digitalisieren, ein Kalibrationssystem, das mit dem A/D-Wandler
verbunden ist und eine Zeitserienanalyse (t, x) an dem überwachten
Parameter ausführt,
um Parameter eines dynamischen Modells zu berechnen, und eine Nachschlagetabelle
(LUT, Look-Up-Table) mit einem Speicher aufweisen, der dazu dient,
bekannte Sätze
von Verdichterdaten, einschließlich
entsprechender Messdaten für
eine Strömungsablösung, abzuspeichern.
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Die
Erfindung ist nachfolgend in größerer Einzelheit
zu Beispielszwecken mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in
denen zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines gewöhnlichen Gasturbinentriebwerks;
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2 eine
schematische Darstellung des Betriebs einer Verdichtersteuerung
und der Detektion von Indikatoren für eine rotierende Strömungsablösung und
ein Verdichterpumpen unter Verwendung eines Kalman-Filters;
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3 die
Einzelheiten eines Kalman-Filters, wie die ses in 2 veranschaulicht
ist;
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4 eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei der eine Temporal-FFT verwendet
wird, um Messwerte für
eine Strömungsablösung zu
berechnen;
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5 eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei der ein Korrelationsintegralalgorithmus
verwendet wird, um Messwerte für
eine Strömungsablösung zu
berechnen;
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6 eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei der ein um einen Gauss-Markov-Prozess
zweiter Ordnung erweitertes Autoregressionsmodell dazu verwendet
wird, um Strömungsablösungsmesswerte
zu schätzen;
und
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7 eine
graphische Darstellung, die auf der Y-Achse das Druckverhältnis und
auf der X-Achse die Luftströmung
für die
in 1 dargestellte Verdichterstufe veranschaulicht.
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Indem
nun auf 1 Bezug genommen wird, ist ein
Gasturbinentriebwerk bei 10 veranschaulicht, wie es ein
Gehäuse 12 mit
einem in dem Gehäuse
in der Nähe
seines vorderen Endes angeordneten Verdichter 14 aufweist,
der von der Axialströmungsbauart
sein kann. Der Verdichter 14 empfängt Luft durch einen ringförmigen Lufteinlass 16 und
liefert verdichtete Luft zu einer Brennkammer 18. In der
Brennkammer 18 wird Luft gemeinsam mit Brennstoff verbrannt,
und die resultierenden Verbrennungsgase werden durch eine Düse oder eine
Leitschaufelanordnung 20 zu den Laufschaufeln 22 eines
Turbinenläufers 22 geleitet,
um den Läufer
anzutreiben. Eine Welle 13 verbindet den Turbinenläufer 24 mit
dem Verdichter 14 antriebsmäßig. Von den Turbinenschaufeln 22 strömen die
Abgase nach hinten durch eine Abgasleitung 19 in die Umgebungsatmosphäre ab.
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Bezug
nehmend auf 2 ist dort eine beispielhafte
schematische Ansicht der vorliegenden Erfindung in Form eins Blockschaltbilds
veranschaulicht. In dieser beispielhaften Ausführungsform ist eine einzelne
Stufe des Verdichters veranschaulicht. In der Tat kann der Verdichter
mehrere derartige Stufen enthalten. Hier sind Sensoren 30 an
einem Gehäuse 26 des
Verdichters 14 angeordnet, um die dynamischen Verdichterparameter, wie
beispielsweise den Druck, die Geschwindigkeit der durch den Verdichter 14 strömenden Gase,
die Kraft, die Schwingungen, die auf das Verdichtergehäuse einwirken,
etc., zu messen. Der dynamische Druck wird als ein beispielhafter
Parameter für
die detaillierte Erläuterung
der vorliegenden Erfindung angesehen. Es versteht sich, dass andere
Verdichterparameter, wie sie vorstehend erwähnt sind, überwacht werden können, um
die Betriebsfähigkeit
oder Stabilität
des Verdichters 14 zu schätzen. Die Druckdaten von den
Sensoren 30 werden in einem A/D-Wandler 32 digitalisiert
und abgetastet. Die digitalisierten Signale von dem A/D-Wandler 32 werden
durch ein Kalman-Filter 36 und ein Offline-Kalibrationssystem 34 empfangen.
Wenn eine vorbestimmte Anzahl von Daten während eines normalen Betriebs
des Verdichters 14 gesammelt worden ist, wird durch das Kalibrationssystem 34 eine
Zeitserieanalyse der Daten durchgeführt, um Parameter eines dynamischen
Modells zu erzeugen, während
gleichzeitig die im Laufe der Zeit auftretende Sensordrift kompensiert
wird. Die Parameter des dynamischen Modells werden durch das Kalman-Filter 36 empfangen,
das die Parameter des dynamischen Modells mit neuen Druckdaten,
die durch den A/D-Wand ler 32 digitalisiert werden, verknüpft, um eine
gefilterte Schätzung
zu erzeugen. Die Differenzen zwischen den Messdaten und der gefilterten
Schätzung,
die hier als „Neuerungen" bezeichnet werden,
werden weiter verarbeitet, um Vorläufer oder Indikatoren für eine Strömungsablösung (Stall)
zu identifizieren.
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Es
wird eine Nachschlagetabelle 38 errichtet und mit Strömungsablösungs-Messwerten
in Abhängigkeit
von der Drehzahl (U/min), dem Winkel der Einlassleitschaufeln (IGV,
Inlet Guide Vanes) und der Verdichterstufe gefüllt. Die in der Nachschlagetabelle
(LUT, Look-Up-Table) 38 eingesetzten Werte sind bekannte
Werte, mit denen die durch die Offline-Kalibrationseinheit 34 verarbeiteten
Sensormessdaten verglichen werden, um Vorläufer oder Indikatoren für eine Strömungsablösung zu
bestimmen, d.h. die LUT 38 identifiziert den Zustand, in
dem sich die Strömungsablösungsmessung
des Verdichters 14 der Annahme gemäß befindet. Nach dem Sammeln
einer vorbestimmten Anzahl von Neuerungen wird eine Standardabweichung
der „Neuerungen" berechnet. Die Größe der Standardabweichung
der „Neuerungen" wird in einem Entscheidungsberechnungssystem 40 mit
einer bekannten Korrelation für
den Basislinienverdichter verglichen. Das Entscheidungsberechnungssystem 40 ermittelt,
ob die Strömungsablösungsmessung
von dem Kalman-Filter 36 von den Basislinienwerten abweicht,
die in dem Entscheidungssystem 40 empfangen werden. Das
Vorliegen/Nichtvorliegen einer Strömungsablösung (Stall) oder eines Verdichterpumpens
(Surge) wird durch ein „1/0" angezeigt um zu identifizieren,
ob der Verdichter 14 betriebsfähig oder stabil ist oder ob
er dies nicht ist. Der durch das Kalman-Filter 36 berechnete
Ablösungsmesswert
ist jedoch ein sich ständig
veränderndes
Signal, das dazu dient, das Steuerungssystem 42 zu veranlas sen,
im Falle einer Identifikation einer Strömungsablösung oder eines Verdichterpumpens
Abschwächungsvorgänge in Gang
zu setzen. Die Abschwächungsvorgänge können durch Veränderung
der Betriebslinienparameter des Verdichters 14 eingeleitet
werden. Eine Größe der Standardabweichung
der Neuerungen bietet eine Information für das Steuerungssystem 42 mit
einer für
geeignete Aktionen durch das Steuerungssystem 42 ausreichenden
Vorlaufzeit, um Gefahren zu mildern, falls der Verdichterbetrieb
als instabil oder nicht betriebsfähig angesehen wird.
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Die
Differenz zwischen der gemessenen Indikatorgröße oder den gemessenen Indikatorgrößen und dem
Basislinien-Ablösungsmesswert über vorhandene Übertragungsfunktionen
wird dazu verwendet, eine Betriebsbeziehung eines verschlechterten
Verdichters und einen entsprechenden Betriebsfähigkeitsmesswert des Verdichters
zu schätzen,
d.h. es wird die Ablösungsbetriebsgrenze
berechnet und mit einem Gestaltungsziel verglichen. Die Betriebsfähigkeit
des interessierenden Verdichters wird anschließend als ausreichend oder nicht
ausreichend angenommen. Falls die Verdichterbetriebsfähigkeit
als nicht ausreichend angenommen wird, wird ein Bedarf geschaffen,
aktive Steuerungen einzuführen,
und die Instruktionen werden an das Steuerungssystem 32 übergeben,
um den Verdichter 14 in aktiver Weise zu steuern.
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Bezug
nehmend auf 3 ist dort eine schematische
Darstellung eines mit 36 bezeichneten Kalman-Filters veranschaulicht.
Hier werden abgetastete Daten von dem A/D-Wandler 32 einem dynamischen
Zustandsmodell der Anlage zugeführt,
wie es bei 44 angezeigt ist. Das dynamische Zustandsmodell
wird dazu verwendet, von den gemessenen Druck daten Daten (beispielsweise
Ablösungsindikatordaten
in der vorliegenden Ausführungsform)
zu entnehmen. Ausgangssignale des dynamischen Zustandsmodells 44 werden
durch ein Messmodell 46 empfangen, das die Signale kalibriert,
um Rauschen von den Sensoren 30 (2) zu kompensieren.
Die kalibrierten Ausgangssignale von dem Messmodell 46 werden
weitergeleitet, um die bei 50 angezeigte Kalman-Verstärkung zu überwachen,
um sicherzustellen, dass die gefilterten Schätzwerte von dem Kalman-Filter 46 innerhalb
des Bereiches der Sensormessungen liegen. Die Ausgangssignale von
einem Komparator 48 werden ferner durch eine Einheit 56 empfangen,
um die Standardabweichung zu berechnen, die einen Ablösungsmesswert
kennzeichnet. Der Ablösungsmesswert
wird der Entscheidungsberechnungseinheit 40 und dem Steuerungssystem 42 (2)
zugeführt.
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Ein
Vergleich der gemessenen Druckdaten mit Basislinienwerten des Verdichters
zeigt die Betriebsfähigkeit
des Verdichters an. Diese Betriebsfähigkeitsdaten des Verdichters
können
dazu verwendet werden, die gewünschten
Korrekturvorgänge
des Steuerungssystems einzuleiten, um ein Verdichterpumpen zu verhindern,
wodurch dem Verdichter ermöglicht
wird, mit einem höheren
Wirkungsgrad zu arbeiten, als wenn eine zusätzliche Sicherheitsgrenze erforderlich
wäre, um
einen Betrieb in der Nähe
der Strömungsablösung zu
verhindern. Die Ablösungsindikatorsignale,
die das Einsetzen einer Strömungsablösung des
Verdichters kennzeichnen, können
auch, wie in 4 veranschaulicht, einem Display 45 oder
einer sonstigen Anzeigeeinrichtung zugeführt werden, so dass ein Bediener
in manueller Weise korrigierende Messungen einleiten kann, um ein
Verdichterpumpen zu verhindern und einen Betrieb in der Nähe einer
Strömungsablösung zu
vermeiden.
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Bezug
nehmend auf 4 ist dort eine weitere Ausführungsform
veranschaulicht, wobei mit der schematischen Darstellung nach 2 gemeinsame
Elemente durch ähnliche
Bezugszeichen gekennzeichnet sind, jedoch mit einer voran gesetzten „1" versehen sind. Hier
wird ein Signalverarbeitungssystem verwendet, das einen Algorithmus 60 einer
Temporal-Schnellen-Furiertransformation (FFT, Fast Fourier Transform)
aufweist, um die Ablösungsmesswerte
zu berechnen. Die Verdichterdaten werden in Abhängigkeit von der Zeit durch
Sensoren gemessen, die um den Verdichter herum angeordnet sind.
Eine FFT wird an den gemessenen Daten durchgeführt, während Veränderungen der Beträge bei speziellen
Frequenzen identifiziert und mit Basislinienwerten des Verdichters
verglichen werden, um die Verdichterstabilität oder -betriebsfähigkeit
zu bestimmen und Abschwächungsaktionen
durch das Steuerungssystem 142 einzuleiten, um ein vorbestimmtes Niveau
der Betriebsfähigkeit
des Verdichters aufrechtzuerhalten.
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In
einer noch weiteren Ausführungsform,
wie sie in
5 veranschaulicht ist, wird
ein Signalverarbeitungssystem
70 verwendet, das eine Korrelationsintegraltechnik
im Zusammenhang mit einem statistischen Prozess aufweist, um Ablösungsmesswerte
zu berechnen. Hier werden wieder für Elemente, die mit denjenigen
in der schematischen Darstellung nach
2 gleich
sind, ähnliche
Bezugszeichen verwendet, wobei der Präfix „2" vorangestellt ist. Hier werden die
statistischen Langzeit-Charakteristika des Korrelationsintegrals
für einen
stabilen Verdichter abgeleitet und dazu verwendet, einen niedrigeren
Steuerungsgrenzwert zu erhalten. Da das Korrelationsintegral fortwährend berechnet
wird, wird der Wert des Integrals in jeder Regelschleife mit dem
niedrigeren Steuerungsgrenzwert verglichen. Der interessierende
Verdichter wird als instabil oder nicht betriebsfähig angesehen,
falls das Korrelationsintegral beim Vergleich mit dem niedrigeren
Steuerungsgrenzwert eine beliebige Regel in der statistischen Prozesssteuerung
verletzt. Das Korrelationsintegral wird mittels der folgenden Gleichung
berechnet:
wobei
x
i = Signal x zum Zeitpunkt I,
N = Gesamtanzahl
der Abtastwerte,
r = Radius der Nachbarschaft,
C = Korrelationsintegral.
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In
einer noch weiteren Ausführungsform,
wie sie in 6 veranschaulicht ist, werden
Ablösungsmesswerte
unter Verwendung eines Signalverarbeitungssystems 90 ermittelt,
das ein Autoregressions(AR)-Modell aufweist, das um einen Gauss-Markov-Prozess
zweiter Ordnung erweitert ist. Hier werden wiederum für Elemente,
die mit denen in der schematischen Darstellung nach 2 gleich
sind, ähnliche
Bezugszeichen verwendet, die jedoch eine vorangestellte „3" tragen. Das AR-Modell
ist in Form einer Zustandsvariablen veranschaulicht, die durch die
Offline-Zeitserienanalyse von der Offline-Berechnungseinheit 34 (2)
gebildet sein kann. Das AR-Gauss-Markov-Modell folgt den Gleichungen: x(n + 1) = Ax(n) + Gw(n) (1) Y(n) = Cx(n) + Hw(n) + v(n) (2).
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Gleichung
(1) gibt eine Beziehung zwischen dem dynamischen Zustand des Verdichters 14,
dem Anlagenmodell 44 und dem Messmodell 46 an,
wobei x einen dynamischen Zustand kennzeichnet; „A" kennzeichnet das Anlagenmodell; „G" kennzeichnet das
Messmodell; „w" ist ein Rauschvektor.
Gleichung (2) gibt eine Beziehung zwischen der Leistungsabgabe (y)
des Verdichters 14, dem Prozessmodell „C" und der Auswirkung des Rauschens „v" auf die Leistungsabgabe
wieder, wobei „H" die Auswirkung des
Sensorrauschens auf die Leistungsabgabe kennzeichnet.
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Bezugnehmend
auf 7 ist eine graphische Darstellung veranschaulicht,
in der auf der Y-Achse das Druckverhältnis und auf der X-Achse die
Luftströmung
P aufgezeichnet sind. Wie vorstehend erläutert, kann eine Beschleunigung
eines Gasturbinentriebwerk zu einer Strömungsablösung des Verdichters oder einem Verdichterpumpen
führen,
wobei das Druckverhältnis
des Verdichters anfänglich über einen
kritischen Wert hinaus ansteigen kann, was nachfolgend zu einer
drastischen Reduktion des Verdichterdruckverhältnisses und der der Brennkammer
zugeführten
Luftströmung
führen
kann. Falls ein derartiger Zustand nicht ermittelt wird und es zugelassen
wird, dass dieser fortdauert, können
die Verdichtertemperaturen und Schwingungsbelastungen, die auf den
Verdichter eingeleitet werden, ausreichend hoch werden, um Schaden
an der Gasturbine hervorzurufen. Somit können kor rigierende Aktionen,
die in Abhängigkeit
von der Detektion eines Einsetzens oder Vorläufers (Indikators) für eine Strömungsablösung des
Verdichters eingeleitet werden, verhindern, dass die oben identifizierten
Probleme auftreten. Die bei 92 identifizierte OPLINE stellt
eine Betriebslinie (Operating Line) dar, bei der sich der Verdichter 14 im
Betrieb befindet. Wenn die zu dem Verdichter 14 führende Luftströmung erhöht wird,
kann der Verdichter bei einem vergrößerten Druckverhältnis betrieben
werden. Die Sicherheitsgrenze 96 zeigt an, dass, wenn das
Gasturbinentriebwerk 10 bei Werten arbeitet, die unterhalb
der durch die OPLINE festgelegten Werten liegen, wie in der graphischen
Darstellung veranschaulicht, ein Signal ausgegeben wird, das das
Einsetzen einer Strömungsablösung des
Verdichters kennzeichnet. Es kann erforderlich sein, Korrekturmessungen
durch das Echtzeit-Steuerungssystem 42 innerhalb der Grenze 96 einzuleiten, um
ein Verdichterpumpen und einen Betrieb des Verdichters 14 in
der Nähe
der Strömungsablösung zu
vermeiden.
