CN101629572A - 失速和喘振检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及失速和喘振检测系统及方法。具体而言，提出了一种用于监测包括转子的压缩机的方法。该方法包括获取转子的动态压力信号，获取转子的叶片通过频率，使用叶片通过频率信号来过滤动态压力信号，在移动窗口时间周期内缓冲被过滤的动态压力信号，以及分析被缓冲的动态压力信号来预测压缩机的失速状态。

Description

失速和喘振检测系统及方法
技术领域
[0001]本文所公开的主题大体上涉及监测旋转机械构件的健康状况，并且更具体地涉及涡轮压缩机中的失速及喘振(surge)检测。
背景技术
[0002]在用于发电的燃气涡轮机中，通常容许压缩机以高压力比工作，以便实现较高的效率。在燃气涡轮机工作期间，可能会发生称为压缩机失速的现象，即当涡轮压缩机的压力比超过给定速度下的临界值时，压缩机的压力比会减小，而输送到发动机燃烧器中的气流也会减少并且在有些情况下可能会反向。压缩机失速具有许多导致因素。在一个实例中，发动机加速太快。在另一个实例中，在发动机的正常工作期间，空气压力或温度的入口轮廓变得过度扭曲。因吸入外来物或一部分发动机控制系统的故障所引起的压缩机损坏也可造成压缩机失速以及随后的压缩机性能下降。如果压缩机失速未被发现并容许其继续，则压缩机中所产生的燃烧器温度和振动应力可能变得高到足以对涡轮机造成损坏。
[0003]一种用于压缩机失速检测的方式为通过测量穿过压缩机的气流和升压来监测压缩机的健康状况。压力变化可归因于许多因素，例如举例来说，不稳定燃烧、旋转失速以及压缩机自身的喘振现象。为了确定这些压力变化，可监测穿过压缩机的升压变化的幅度和速率。然而，这种方法并不提供对旋转失速或喘振的预测能力，而且不能为实时控制系统提供信息以及足够的前置时间来前瞻性地处理此类事件。
发明内容
[0004]简而言之，提供了一种用于监测包括转子的压缩机的方法。该方法包括获取转子的动态压力信号，获取转子的叶片通过频率，使用叶片通过频率信号来过滤动态压力信号，在移动窗口时间周期内缓冲被过滤的动态压力信号，以及分析被缓冲的动态压力信号来预测压缩机的失速状态。
[0005]在另一个实施例中，提供了一种用于监测包括转子的压缩机的系统。该系统包括构造成用于获取转子的动态压力信号的压力传感器，构造成用于获取转子的速度信号的速度传感器，以及控制器，该控制器构造成用于使用转子速度信号来过滤动态压力信号、在移动窗口时间周期内缓冲被过滤的动态压力信号，以及分析被缓冲的动态压力信号来预测压缩机的失速状态。
附图说明
[0006]本发明的这些及其它特征、方面和优点在参照附图阅读如下详细说明时，将变得更为清楚，附图中相似的标号表示相似的零件，在附图中：
[0007]图1为根据本发明一个方面的具有传感器的压缩机的截面图；
[0008]图2示出了根据本发明的一个实施例的压缩机监测和控制系统的方框图；
[0009]图3为示出根据本文所公开的一个实施例的监测和控制压缩机健康状况的方框图；以及
[0010]图4为在较长的时间周期内的快速傅里叶变换的示图。
零件清单
10压缩机系统
12转子
14定子
16流向
18流向
20传感器位置
22传感器位置
24传感器位置
30压缩机监测和控制系统
32滤波器
34转子速度信号
36动态压力信号
40存储器
42信号处理器
44比较器
46查找表
48失速指示器
50失速指示信号
56压缩机监测系统
58低通滤波器
60速度-频率转换器
62叶片通过频率
66滤波器
68被过滤的动态压力信号
70均方根(RMS)转换器
72乘法器
73输入
74低通滤波器
75过滤的信号
76信号处理器
77偏移的动态压力信号
78数据收集器
80信号处理器
81变换的信号
84滤波器
85压缩机压力比
86源功率
87入口导向阀测量值
88功率计算机
90失速量度(未有标度的失速可能性)
92乘法器
94入口导向阀标度(scaling)
96失速可能性
97查找表
98喘振裕度剩余
99有标度的失速可能性
100长时间快速傅里叶变换
102频率
104功率
106功率峰值
108功率峰值
110功率峰值
具体实施方式
[0011]如下文所详细论述的那样，本发明的实施例包括一种燃气涡轮机系统，其具有压缩机以及用于监测压缩机的系统。在本发明的示例性实施例中，工业燃气涡轮机用作复合循环构造的一部分，该复合循环构造例如还包括蒸汽涡轮机以及用以由天然气或其它燃烧燃料的燃烧来发电的发电机。工业燃气涡轮机可在复合循环系统或简单循环系统中工作。然而，在两种循环系统中，所期望的目标在于使工业燃气涡轮机以最高的工作效率工作，从而以较低的成本产生较高的电力输出。一般而言，在高效的工业涡轮机系统中，应当操作压缩机来产生对应于高燃烧温度的循环压力比。然而，由于压缩机用于产生高燃烧温度或高循环压力比，故压缩机可经受空气动力的不稳定，例如举例来说，失速和/或喘振状态。可认识到的是，经受这种失速和/或喘振的压缩机可造成影响工业燃气涡轮机的构件和工作效率的问题。一般而言，为了保持稳定性，所期望的是将工业燃气涡轮机限制在循环压力比的工作极限内。
[0012]图1示出了压缩机的截面图，其中，传感器安装在压缩机内的多个位置上以感测压缩机参数。如图所示，压缩机系统10包括转子12和定子14。此外，参考标号16指出了流向，其中，工作流体在16与18之间逐渐地受到压缩。一般而言，这种压缩机使用多级压缩，其中，定子14可构造成用以使来自于转子12的流准备和/或重新定向为通向后续的转子或增压室中。在本发明的一个实施例中，在20处的传感器位置更适于感测指示失速和/或喘振状态的压缩机参数。然而，可注意到的是，为了感测参数，传感器设置在多个位置上，例如举例来说，22和24。传感器可包括例如构造成用以检测转速的速度传感器以及构造成用以动态地检测压力的压力传感器。
[0013]图2为如在图1的压缩机系统10中实现的压缩机监测和控制系统的示意性示图。压缩机监测和控制系统30包括控制器。在一个示例性的实施例中，控制器包括滤波器32、存储介质40、信号处理器42、比较器44、查找表46，以及失速指示器48。该系统包括传感器，用于获取动态压力信号36和从转子速度信号34中获取叶片通过频率，以及使用叶片通过频率来过滤动态压力信号36。滤波器32联接到传感器(未示出)上。对应于压缩机参数，传感器产生信号如转子速度信号34和动态压力信号36。在本发明的一个实施例中，滤波器32构造成用以过滤感测到的压缩机参数，如转子速度信号34和动态压力信号36。此外，滤波器构造成用以除去不期望的成分，例如举例来说，来自于感测到的参数中的高频噪声。根据本发明所构思出的实施例，滤波器包括多种构造，如二阶低通滤波器、一阶低频高通滤波器，以及六阶切比雪夫(Chebychev)带通滤波器。本领域的技术人员可认识到，这类滤波器具有诸如通带和截止频率的配置参数，其根据输入参数和期望输出进行适当地设定。
[0014]在移动窗口期间，以一定的抽样率来执行缓冲(或存储)在一定时间周期内过滤的数据。在一个实例中，移动窗口发生在至少四秒的周期内。存储介质40构造成用以存储被过滤的数据和/或被缓冲的数据。在一个实施例中，控制器还构造成用以将被缓冲的动态压力信号偏移至较低的频域。信号处理器42联接到存储介质40上并被构造成用以计算被缓冲数据的快速傅里叶变换。比较器44联接到信号处理器42上并被构造成用以将计算出的快速傅里叶变换数据与预定的基准值相比较。预定的基准值存储在联接到比较器上的查找表46中。可认识到的是，预定的基准值通过失速可能性的测量值和常数来计算。系统30还包括失速指示器48，其联接到比较器44上并被构造成用以基于比较来产生失速指示信号50。失速指示信号50联接到压缩机上，用于在可能失速的情况下进行校正动作。
[0015]图3为示出根据本发明实施例来监测和控制压缩机健康状况的多个步骤的更为详尽的方框图。在一个示例性实施例中，压缩机监测系统56包括低通滤波器58，其构造成用以接收来自于联接到压缩机(图3中未示出)上的传感器的转子速度信号34。在更为具体的实施例中，低通滤波器构造成用以通过二阶低通滤波器来过滤转子速度信号。通常，截止频率为大约0.1Hz。然而，截止频率取决于速度控制拓扑。
[0016]速度-频率转换器60联接到低通滤波器上，以将过滤的转子速度信号转换成叶片通过频率62。可注意到的是，叶片通过频率为机械速度和转子叶片数量的乘积。
[0017]在本发明当前构思出的实施例中，诸如压力的压缩机参数受到动态监测。动态压力信号36通过一阶低频高通滤波器进行过滤以除去低频偏差，并且还可通过切比雪夫带通滤波器进行过滤以获得被过滤的动态压力信号68，其中两种滤波器均由滤波器元件66标示，并且通带外的衰减为大约40dB。如本领域的技术人员将认识到的那样，通带对于被检测参数中的变量因子应当具有数百赫兹的裕度。此外，动态压力信号测量的采样率通常大约为带通频率的至少2倍或3倍。如果机械速度保持恒定，则带通滤波器常数可保持恒定。然而，如果叶片通过频率的位置改变，则较为有用的是更新带通滤波器常数以反映叶片通过频率的新位置。
[0018]均方根(RMS)转换器70计算动态压力信号36的均方根。然后，叶片通过频率62和过滤的动态压力信号68在乘法器72处相结合，并作为输入73传送给低通滤波器74。最后得到的过滤信号75和动态压力信号70的均方根传送给构造成用以使被过滤的信号75归一化的信号处理器76。在归一化处理的一个实施例中，与被过滤的信号75相乘的归一化增益为被乘以2.3的RMS动态压力信号70的倒数。在一个示例性实施例中，方框60构造成用以计算通带频率的余弦减去一定的频率，该频率表示在低频范围中测量的动态压力信号的新的中心频率。差数62在乘法器72处进一步与被过滤的动态压力信号68相乘。最后得到的乘积73通过六阶(意指六阶或高阶)切比雪夫低通滤波器过滤，以得到偏移的动态压力信号77，其表示在76处归一化之后的原始、高频和动态的压力信号的低频变换。在一个实施例中，切比雪夫低通滤波器的通带为频率偏移的动态压力信号测量值的新的中心频率的两倍(以便减小与频率偏移相关的噪音)。
[0019]数据收集器78缓冲偏移的低频范围的动态压力信号77，以便于进一步分析。存储介质可构造成用以存储被缓冲的动态压力信号。存储介质的实例可包括存储芯片。这种(通过向下采样偏移的低频范围动态压力信号获得的)缓冲数据表示具有以叶片通过频率为中心的频谱的动态压力信号的适当时间周期。在一个实施例中，该时间周期是从四分之一秒至八秒。在另一个实施例中，时间周期大约为四秒。信号处理器80计算存储在数据收集器78中的向下采样的缓冲数据的快速傅里叶变换。叶片通过频率在滤波器框84处从被变换的信号81中滤出。与以叶片通过频率为中心的大约±15Hz的频率范围相关的功率在源功率框86处设定为零，并且还乘以被变换的信号81。功率计算机88计算功率的平均值，并且还计算平均功率值的平方根。这种平均功率通常表示叶片通过频率附近的失速量度90。在示例性实施例中，这种失速量度90表示未有标度的失速可能性。
[0020]未有标度的失速可能性90和入口导向阀标度94在92处相乘。入口导向阀的测量值87用于计算入口导向阀标度94。在一个实施例中，查找表97包括失速可能性和失速量度。失速可能性96通过查找表97获得。如本领域的技术人员将认识到的那样，失速可能性的预定值由多个测量值计算出。此查找表包括应用于测量值的计算常数，其指示构成查找表所围绕的约束。在使用查找表的同时可使用常数进行计算。在本发明的一个实施例中，获得有标度的失速可能性99是通过标度系数，如入口导向阀标度94和未有标度的失速可能性90。在本发明的另一个实施例中，计算有标度的失速可能性量度包括参照具有作为量度系数的剩余失速裕度98的查找表，该标度系数与失速可能性96相乘。可注意到的是，剩余失速裕度98可通过压缩机压力比85而获得。失速指示器48构造成用以基于有标度的失速可能性99来计算失速指示信号50。失速指示信号还联接到压缩机上。基于失速指示信号50，可在压缩机上实现校正动作，以防止可能出现的任何失速和/或喘振状态。
[0021]图4为长时间快速傅里叶变换100的示图，其在水平轴102上具有频率而在竖直轴104上具有功率。如图所示，傅里叶变换100包括多个功率峰值，如106，108和110。如图3中所提到的那样，该长时间快速傅里叶变换是在信号处理器80已经在长时间周期内处理了缓冲数据之后获得的。此外，如图3中所提到的那样，表示叶片通过频率的功率峰值106可在方框84处过滤。在以叶片通过频率为中心的大约±100Hz中，可记录到一些功率峰值，如108和110。这些功率峰值(108和110)通常表示偏离正常工作状态的状态，并且可指出潜在的失速和/或喘振状态。如图3中所提到的功率计算机88构造成用以检测和计算这种功率峰值偏差。
[0022]有利的是，压缩机参数的长时间快速傅里叶变换分析减轻了当前分析的缺点。此外，傅里叶变换分析有助于准确地捕获异常压力扰动，且因此通过在分析中使用标度系数和剩余失速裕度来最大限度地减少假压力喘振。此外，上述优点有助于在压缩机失速和/或喘振之前准确地预测失速和/或喘振状态的开始，以及通过适当地基于该预测来控制工作参数而保护压缩机免受损坏。
[0023]尽管本文仅图示并描述了本发明的一些特征，但本领域的熟练技术人员可想到许多修改和变化。因此，应当理解的是，期望所附权利要求覆盖落入本发明真正精神内的所有这些修改和变化。

Claims (10)

1.一种用于监测包括转子的压缩机的方法，所述方法包括：
(a)获取所述转子的动态压力信号；
(b)获取所述转子的叶片通过频率；
(c)使用所述叶片通过频率信号来过滤所述动态压力信号；
(d)在移动窗口的时间周期内缓冲所述被过滤的动态压力信号；以及
(e)分析所述被缓冲的动态压力信号来预测所述压缩机的失速状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在过滤所述动态压力信号之后且在缓冲所述被过滤的动态压力信号之前，将所述被过滤的动态压力信号偏移至较低的频率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取所述叶片通过频率包括：获取所述转子的机械速度信号，以及从所述机械速度信号中除去高频噪声。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，除去所述高频噪声包括：利用二阶低通滤波器来过滤所述机械速度信号。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分析所述被缓冲的动态压力信号还包括：计算对所述被缓冲的动态压力信号的快速傅里叶变换。
6.一种用于监测包括转子的压缩机的系统，所述系统包括：
(a)构造成用于获取所述转子的动态压力信号的压力传感器；
(b)构造成用于获取所述转子的速度信号的速度传感器；以及
(c)控制器，其构造成用于使用所述转子速度信号来过滤所述动态压力信号，在移动窗口的时间周期内缓冲所述被过滤的动态压力信号，以及分析所述被缓冲的动态压力信号来预测所述压缩机的失速状态。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述控制器构造成用于从所述转子速度信号中获取叶片通过频率，以及使用所述叶片通过频率来过滤所述动态压力信号。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述控制器还包括滤波器，所述滤波器包括二阶低通滤波器、切比雪夫带通滤波器或一阶低频高通滤波器中的至少一种。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述控制器还构造成用以将所述被缓冲的动态压力信号偏移至较低的频域。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统还包括比较器，所述比较器联接到所述存储介质上并被构造成用于将所述计算出的快速傅里叶变换与预定值相比较。
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