專利名稱：失速和喘振檢測系統及方法
技術領域：
本文所公開的主題大體上涉及監(jiān)測旋轉機械構件的健康狀況，并且更具體地涉及渦輪壓縮機中的失速及喘振(surge)^r測。
背景技術：
在用于發(fā)電的燃氣渦輪機中，通常容許壓縮機以高壓力比工作，以便實現較高的效率。在燃氣渦輪機工作期間，可能會發(fā)生稱為壓縮機失速的現象，即當渦輪壓縮機的壓力比超過給定速度下的臨界值時，壓縮機的壓力比會減小，而輸送到發(fā)動機燃燒器中的氣流也會減少并且在有些情況下可能會反向。壓縮機失速具有許多導致因素。在一個實例中，發(fā)動機加速太快。在另一個實例中，在發(fā)動機的正常工作期間，空氣壓力或溫度的入口輪廓變得過度扭曲。因吸入外來物或一部分發(fā)動機控制系統的故障所引起的壓縮機損壞也可造成壓縮機失速以及隨后的壓縮機性能下降。如果壓縮機失速未被發(fā)現并容許其繼續(xù)，則壓縮機中所產生的燃燒器溫度和振動應力可能變得高到足以對渦輪機造成損壞?！N用于壓縮機失速檢測的方式為通過測量穿過壓縮機的氣流和升壓來監(jiān)測壓縮機的健康狀況。壓力變化可歸因于許多因素，例如舉例來說，不穩(wěn)定燃燒、旋轉失速以及壓縮機自身的喘振現象。為了確定這些壓力變化，可監(jiān)測穿過壓縮才幾的升壓變化的幅度和速率。然而，這種方法并不提供對旋轉失速或喘振的預測能力，而且不能為實時控制系統提供信息以及足夠的前置時間來前瞻性地處理此類事件。
發(fā)明內容
簡而言之，提供了一種用于監(jiān)測包括轉子的壓縮機的方法。
該方法包括獲取轉子的動態(tài)壓力信號，獲取轉子的葉片通過頻率，使用葉片通過頻率信號來過濾動態(tài)壓力信號，在移動窗口時間周期內緩沖被過濾的動態(tài)壓力信號，以及分析被緩沖的動態(tài)壓力信號來預測壓縮機的失速狀態(tài)。在另 一個實施例中，提供了 一種用于監(jiān)測包括轉子的壓縮機的系統。該系統包括構造成用于獲取轉子的動態(tài)壓力信號的壓力傳感器，構造成用于獲取轉子的速度信號的速度傳感器，以及控制器，該控制器構造成用于使用轉子速度信號來過濾動態(tài)壓力信號、在移動窗口時間周期內緩沖被過濾的動態(tài)壓力信號，以及分析被緩沖的動態(tài)壓力信號來預測壓縮機的失速狀態(tài)。
本發(fā)明的這些及其它特征、方面和優(yōu)點在參照附圖閱讀如下詳細說明時，將變得更為清楚，附圖中相似的標號表示相似的零件，在附圖中圖1為根據本發(fā)明一個方面的具有傳感器的壓縮機的截面
圖；圖2示出了根據本發(fā)明的一個實施例的壓縮機監(jiān)測和控制系統的方框圖；圖3為示出根據本文所公開的一個實施例的監(jiān)測和控制壓縮機健康狀況的方框圖；以及圖4為在較長的時間周期內的快速傅里葉變換的示圖。
零件清單
10壓縮才幾系統12轉子14定子
16流向
18流向
20傳感器位置
22傳感器位置
24傳感器位置
30壓縮機監(jiān)測和控制系統
32濾波器
34轉子速度信號
36動態(tài)壓力信號
40存儲器
42信號處理器
44比較器
46查找表
48失速指示器
50失速指示信號
56壓縮機監(jiān)測系統
58低通濾波器
60速度-頻率轉換器
62葉片通過頻率
66濾波器
68 ;〖皮過濾的動態(tài)壓力信號
70均方根(RMS)轉換器
72乘法器
73輸入
74低通濾波器
75過濾的信號
76信號處理器77偏移的動態(tài)壓力信號
78數據收集器
80信號處理器
81變換的信號
84濾波器
85壓縮一幾壓力比
86源功率
87入口導向閥測量值 88功率計算機
90失速量度(未有標度的失速可能性) 92乘法器
94入口導向閥標度(scaling)
96失速可能性
97查找表
98喘振裕度剩余
99有標度的失速可能性
100長時間快速傅里葉變換
102頻率
104功率
106功率峰值
108功率峰值
110功率峰值
具體實施例方式如下文所詳細論述的那樣，本發(fā)明的實施例包括一種燃氣 渦輪機系統，其具有壓縮機以及用于監(jiān)測壓縮機的系統。在本發(fā)明的 示例性實施例中，工業(yè)燃氣渦輪機用作復合循環(huán)構造的一部分，該復 合循環(huán)構造例如還包括蒸汽渦輪機以及用以由天然氣或其它燃燒燃料的燃燒來發(fā)電的發(fā)電機。工業(yè)燃氣渦輪機可在復合循環(huán)系統或簡單 循環(huán)系統中工作。然而，在兩種循環(huán)系統中，所期望的目標在于使工 業(yè)燃氣渦輪機以最高的工作效率工作，從而以較低的成本產生較高的 電力輸出。 一般而言，在高效的工業(yè)渦輪機系統中，應當操作壓縮機 來產生對應于高燃燒溫度的循環(huán)壓力比。然而，由于壓縮機用于產生 高燃燒溫度或高循環(huán)壓力比，故壓縮機可經受空氣動力的不穩(wěn)定，例 如舉例來說，失速和/或喘振狀態(tài)。可認識到的是，經受這種失速和/ 或喘振的壓縮機可造成影響工業(yè)燃氣渴輪機的構件和工作效率的問
題。 一般而言，為了保持穩(wěn)定性，所期望的是將工業(yè)燃氣渦輪機限制 在循環(huán)壓力比的工作極限內。圖1示出了壓縮機的截面圖，其中，傳感器安裝在壓縮機 內的多個位置上以感測壓縮機參數。如圖所示，壓縮機系統10包括 轉子12和定子14。此外，參考標號16指出了流向，其中，工作流體 在16與18之間逐漸地受到壓縮。 一般而言，這種壓縮機使用多級壓 縮，其中，定子14可構造成用以使來自于轉子12的流準備和/或重新 定向為通向后續(xù)的轉子或增壓室中。在本發(fā)明的一個實施例中，在20 處的傳感器位置更適于感測指示失速和/或喘振狀態(tài)的壓縮機參數。然 而，可注意到的是，為了感測參數，傳感器設置在多個位置上，例如 舉例來說，22和24。傳感器可包括例如構造成用以檢測轉速的速度 傳感器以及構造成用以動態(tài)地^^測壓力的壓力傳感器。圖2為如在圖1的壓縮機系統10中實現的壓縮機監(jiān)測和控 制系統的示意性示圖。壓縮機監(jiān)測和控制系統30包括控制器。在一 個示例性的實施例中，控制器包括濾波器32、存儲介質40、信號處 理器42、比較器44、查找表46，以及失速指示器48。該系統包括傳 感器，用于獲取動態(tài)壓力信號36和從轉子速度信號34中獲取葉片通 過頻率，以及4吏用葉片通過頻率來過濾動態(tài)壓力信號36。濾波器32 聯接到傳感器(未示出)上。對應于壓縮機參數，傳感器產生信號如轉 子速度信號34和動態(tài)壓力信號36。在本發(fā)明的一個實施例中，濾波
8器32構造成用以過濾感測到的壓縮機參數，如轉子速度信號34和動 態(tài)壓力信號36。此外，濾波器構造成用以除去不期望的成分，例如舉 例來說，來自于感測到的參數中的高頻噪聲。根據本發(fā)明所構思出的 實施例，濾波器包括多種構造，如二階低通濾波器、 一階低頻高通濾 波器，以及六階切比雪夫(Chebychev)帶通濾波器。本領域的技術人員 可認識到，這類濾波器具有諸如通帶和截止頻率的配置參數，其根據 輸入參數和期望輸出進行適當地設定。在移動窗口期間，以一定的抽樣率來執(zhí)行緩沖(或存儲)在一 定時間周期內過濾的數據。在一個實例中，移動窗口發(fā)生在至少四秒 的周期內。存儲介質40構造成用以存儲被過濾的數據和/或被緩沖的 數據。在一個實施例中，控制器還構造成用以將被緩沖的動態(tài)壓力信 號偏移至較低的頻域。信號處理器42聯接到存儲介質40上并被構造 成用以計算被緩沖數據的快速傅里葉變換。比較器44聯接到信號處
理器42上并被構造成用以將計算出的快速傅里葉變換數據與預定的 基準值相比較。預定的基準值存儲在聯接到比較器上的查找表46中。 可認識到的是，預定的基準值通過失速可能性的測量值和常數來計 算。系統30還包括失速指示器48,其聯接到比較器44上并被構造成 用以基于比較來產生失速指示信號50。失速指示信號50聯接到壓縮 機上，用于在可能失速的情況下進行校正動作。圖3為示出根據本發(fā)明實施例來監(jiān)測和控制壓縮機健康狀 況的多個步驟的更為詳盡的方框圖。在一個示例性實施例中，壓縮機 監(jiān)測系統56包括低通濾波器58,其構造成用以接收來自于聯接到壓 縮機(圖3中未示出)上的傳感器的轉子速度信號34。在更為具體的實 施例中，低通濾波器構造成用以通過二階低通濾波器來過濾轉子速度 信號。通常，截止頻率為大約O.lHz。然而，截止頻率取決于速度控 制拓樸。速度-頻率轉換器60聯接到低通濾波器上，以將過濾的轉 子速度信號轉換成葉片通過頻率62。可注意到的是，葉片通過頻率為機械速度和轉子葉片數量的乘積。在本發(fā)明當前構思出的實施例中，諸如壓力的壓縮機參數
受到動態(tài)監(jiān)測。動態(tài)壓力信號36通過一階低頻高通濾波器進行過濾
被過濾的動態(tài)壓力信號68,其中兩種濾波器均由濾波器元件66標示， 并且通帶外的衰減為大約40dB。如本領域的技術人員將認識到的那 樣，通帶對于被檢測參數中的變量因子應當具有數百赫茲的裕度。此 外，動態(tài)壓力信號測量的采樣率通常大約為帶通頻率的至少2倍或3 倍。如果機械速度保持恒定，則帶通濾波器常數可保持恒定。然而， 如果葉片通過頻率的位置改變，則較為有用的是更新帶通濾波器常數 以反映葉片通過頻率的新位置。均方根(RMS)轉換器70計算動態(tài)壓力信號36的均方根。然 后，葉片通過頻率62和過濾的動態(tài)壓力信號68在乘法器72處相結 合，并作為輸入73傳送給低通濾波器74。最后得到的過濾信號75和 動態(tài)壓力信號70的均方根傳送給構造成用以使被過濾的信號75歸一 化的信號處理器76。在歸一化處理的一個實施例中，與被過濾的信號 75相乘的歸一化增益為被乘以2.3的RMS動態(tài)壓力信號70的倒數。 在一個示例性實施例中，方框60構造成用以計算通帶頻率的余弦減 去一定的頻率，該頻率表示在低頻范圍中測量的動態(tài)壓力信號的新的 中心頻率。差數62在乘法器72處進一步與被過濾的動態(tài)壓力信號68 相乘。最后得到的乘積73通過六階(意指六階或高階)切比雪夫低通濾 波器過濾，以得到偏移的動態(tài)壓力信號77，其表示在76處歸一化之 后的原始、高頻和動態(tài)的壓力信號的低頻變換。在一個實施例中，切 比雪夫低通濾波器的通帶為頻率偏移的動態(tài)壓力信號測量值的新的 中心頻率的兩倍(以便減小與頻率偏移相關的噪音)。數據收集器78緩沖偏移的低頻范圍的動態(tài)壓力信號77,以 便于進一步分析。存儲介質可構造成用以存儲被緩沖的動態(tài)壓力信 號。存儲介質的實例可包括存儲芯片。這種(通過向下采樣偏移的低頻范圍動態(tài)壓力信號獲得的)緩沖數據表示具有以葉片通過頻率為中心 的頻譜的動態(tài)壓力信號的適當時間周期。在一個實施例中，該時間周 期是乂人四分之一秒至7乂秒。在另一個實施例中，時間周期大約為四秒。
信號處理器80計算存儲在數據收集器78中的向下采樣的緩沖數據的 快速傅里葉變換。葉片通過頻率在濾波器框84處從被變換的信號81 中濾出。與以葉片通過頻率為中心的大約土 15 Hz的頻率范圍相關的功 率在源功率框86處設定為零，并且還乘以被變換的信號81。功率計 算機88計算功率的平均值，并且還計算平均功率值的平方根。這種 平均功率通常表示葉片通過頻率附近的失速量度90。在示例性實施例 中，這種失速量度90表示未有標度的失速可能性。未有標度的失速可能性90和入口導向閥標度94在92處相 乘。入口導向閥的測量值87用于計算入口導向閥標度94。在一個實 施例中，查找表97包括失速可能性和失速量度。失速可能性96通過 查找表97獲得。如本領域的技術人員將認識到的那樣，失速可能性 的預定值由多個測量值計算出。此查找表包括應用于測量值的計算常 數，其指示構成查找表所圍繞的約束。在使用查找表的同時可使用常 數進行計算。在本發(fā)明的一個實施例中，獲得有標度的失速可能性99 是通過標度系數，如入口導向閥標度94和未有標度的失速可能性90。 在本發(fā)明的另 一個實施例中，計算有標度的失速可能性量度包括參照 具有作為量度系數的剩余失速裕度98的查找表，該標度系數與失速 可能性96相乘?？勺⒁獾降氖牵Ｓ嗍僭６?8可通過壓縮機壓力 比85而獲得。失速指示器48構造成用以基于有標度的失速可能性99 來計算失速指示信號50。失速指示信號還聯接到壓縮機上。基于失速 指示信號50，可在壓縮機上實現校正動作，以防止可能出現的任何失 速和/或喘振狀態(tài)。圖4為長時間快速傅里葉變換100的示圖，其在水平軸102 上具有頻率而在豎直軸104上具有功率。如圖所示，傅里葉變換100 包括多個功率峰值，如106,108和110。如圖3中所提到的那樣，該
ii長時間快速傅里葉變換是在信號處理器80已經在長時間周期內處理
了緩沖數據之后獲得的。此外，如圖3中所提到的那樣，表示葉片通 過頻率的功率峰值106可在方框84處過濾。在以葉片通過頻率為中 心的大約土100Hz中，可記錄到一些功率峰值，如108和110。這些 功率峰值(108和IIO)通常表示偏離正常工作狀態(tài)的狀態(tài)，并且可指出 潛在的失速和/或喘振狀態(tài)。如圖3中所提到的功率計算機88構造成 用以檢測和計算這種功率Jf值偏差。有利的是，壓縮機參數的長時間快速傅里葉變換分析減輕 了當前分析的缺點。此外，傅里葉變換分析有助于準確地捕獲異常壓 力擾動，且因此通過在分析中使用標度系數和剩余失速裕度來最大限 度地減少假壓力喘振。此外，上述優(yōu)點有助于在壓縮機失速和/或喘振 之前準確地預測失速和/或喘振狀態(tài)的開始，以及通過適當地基于該預 測來控制工作參數而保護壓縮機免受損壞。盡管本文僅圖示并描述了本發(fā)明的一些特征，但本領域的 熟練技術人員可想到許多修改和變化。因此，應當理解的是，期望所 附權利要求覆蓋落入本發(fā)明真正精神內的所有這些修改和變化。
權利要求
1.一種用于監(jiān)測包括轉子的壓縮機的方法，所述方法包括(a)獲取所述轉子的動態(tài)壓力信號；(b)獲取所述轉子的葉片通過頻率；(c)使用所述葉片通過頻率信號來過濾所述動態(tài)壓力信號；(d)在移動窗口的時間周期內緩沖所述被過濾的動態(tài)壓力信號；以及(e)分析所述被緩沖的動態(tài)壓力信號來預測所述壓縮機的失速狀態(tài)。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 在過濾所述動態(tài)壓力信號之后且在緩沖所述被過濾的動態(tài)壓力信號 之前，將所述纟皮過濾的動態(tài)壓力信號偏移至較低的頻率。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，獲取所述葉片通過 頻率包括獲取所述轉子的機械速度信號，以及從所述機械速度信號 中除去高頻噪聲。
4. 根據權利要求3所述的方法，其特征在于，除去所述高頻噪聲 包括利用二階低通濾波器來過濾所述機械速度信號。
5. 根據權利要求l所述的方法，其特征在于，分析所述被緩沖的 動態(tài)壓力信號還包括計算對所述被緩沖的動態(tài)壓力信號的快速傅里 葉變換。
6. —種用于監(jiān)測包括轉子的壓縮機的系統，所述系統包括(a) 構造成用于獲取所述轉子的動態(tài)壓力信號的壓力傳感器；(b) 構造成用于獲取所述轉子的速度信號的速度傳感器；以及(c) 控制器，其構造成用于使用所述轉子速度信號來過濾所述動 態(tài)壓力信號，在移動窗口的時間周期內緩沖所述被過濾的動態(tài)壓力信 號，以及分析所述被緩沖的動態(tài)壓力信號來預測所述壓縮機的失速狀 態(tài)。
7. 根據權利要求6所述的系統，其特征在于，所述控制器構造成 用于從所述轉子速度信號中獲取葉片通過頻率，以及使用所述葉片通 過頻率來過濾所述動態(tài)壓力信號。
8. 根據權利要求7所述的系統，其特征在于，所述控制器還包括 濾波器，所述濾波器包括二階低通濾波器、切比雪夫帶通濾波器或一 階低頻高通濾波器中的至少 一種。
9. 根據權利要求6所述的系統，其特征在于，所述控制器還構造 成用以將所述被緩沖的動態(tài)壓力信號偏移至較低的頻域。
10. 根據權利要求9所述的系統，其特征在于，所述系統還包括 比較器，所述比較器聯接到所述存儲介質上并被構造成用于將所述計 算出的快速傅里葉變換與預定值相比較。
全文摘要
本發(fā)明涉及失速和喘振檢測系統及方法。具體而言，提出了一種用于監(jiān)測包括轉子的壓縮機的方法。該方法包括獲取轉子的動態(tài)壓力信號，獲取轉子的葉片通過頻率，使用葉片通過頻率信號來過濾動態(tài)壓力信號，在移動窗口時間周期內緩沖被過濾的動態(tài)壓力信號，以及分析被緩沖的動態(tài)壓力信號來預測壓縮機的失速狀態(tài)。
文檔編號F04C28/28GK101629572SQ20091015961
公開日2010年1月20日 申請日期2009年7月17日 優(yōu)先權日2008年7月18日
發(fā)明者J·博爾頓, M·J·克羅克 申請人:通用電氣公司