專利名稱：失速和喘振檢測系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文所公開的主題大體上涉及監(jiān)測旋轉(zhuǎn)機(jī)械構(gòu)件的健康狀況，并且更具體地涉及渦輪壓縮機(jī)中的失速及喘振(surge)^r測。
背景技術(shù)：
在用于發(fā)電的燃?xì)鉁u輪機(jī)中，通常容許壓縮機(jī)以高壓力比工作，以便實現(xiàn)較高的效率。在燃?xì)鉁u輪機(jī)工作期間，可能會發(fā)生稱為壓縮機(jī)失速的現(xiàn)象，即當(dāng)渦輪壓縮機(jī)的壓力比超過給定速度下的臨界值時，壓縮機(jī)的壓力比會減小，而輸送到發(fā)動機(jī)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(jī)失速具有許多導(dǎo)致因素。在一個實例中，發(fā)動機(jī)加速太快。在另一個實例中，在發(fā)動機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)的故障所引起的壓縮機(jī)損壞也可造成壓縮機(jī)失速以及隨后的壓縮機(jī)性能下降。如果壓縮機(jī)失速未被發(fā)現(xiàn)并容許其繼續(xù)，則壓縮機(jī)中所產(chǎn)生的燃燒器溫度和振動應(yīng)力可能變得高到足以對渦輪機(jī)造成損壞。—種用于壓縮機(jī)失速檢測的方式為通過測量穿過壓縮機(jī)的氣流和升壓來監(jiān)測壓縮機(jī)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(zhuǎn)失速以及壓縮機(jī)自身的喘振現(xiàn)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(zhuǎn)失速或喘振的預(yù)測能力，而且不能為實時控制系統(tǒng)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(nèi)容
簡而言之，提供了一種用于監(jiān)測包括轉(zhuǎn)子的壓縮機(jī)的方法。
該方法包括獲取轉(zhuǎn)子的動態(tài)壓力信號，獲取轉(zhuǎn)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(nèi)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(yù)測壓縮機(jī)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(zhuǎn)子的壓縮機(jī)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括構(gòu)造成用于獲取轉(zhuǎn)子的動態(tài)壓力信號的壓力傳感器，構(gòu)造成用于獲取轉(zhuǎn)子的速度信號的速度傳感器，以及控制器，該控制器構(gòu)造成用于使用轉(zhuǎn)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(nèi)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(yù)測壓縮機(jī)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(xì)說明時，將變得更為清楚，附圖中相似的標(biāo)號表示相似的零件，在附圖中圖1為根據(jù)本發(fā)明一個方面的具有傳感器的壓縮機(jī)的截面
圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的壓縮機(jī)監(jiān)測和控制系統(tǒng)的方框圖；圖3為示出根據(jù)本文所公開的一個實施例的監(jiān)測和控制壓縮機(jī)健康狀況的方框圖；以及圖4為在較長的時間周期內(nèi)的快速傅里葉變換的示圖。
零件清單
10壓縮才幾系統(tǒng)12轉(zhuǎn)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(jī)監(jiān)測和控制系統(tǒng)
32濾波器
34轉(zhuǎn)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(jī)監(jiān)測系統(tǒng)
58低通濾波器
60速度-頻率轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(dǎo)向閥測量值 88功率計算機(jī)
90失速量度(未有標(biāo)度的失速可能性) 92乘法器
94入口導(dǎo)向閥標(biāo)度(scaling)
96失速可能性
97查找表
98喘振裕度剩余
99有標(biāo)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(xì)論述的那樣，本發(fā)明的實施例包括一種燃?xì)?渦輪機(jī)系統(tǒng)，其具有壓縮機(jī)以及用于監(jiān)測壓縮機(jī)的系統(tǒng)。在本發(fā)明的 示例性實施例中，工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)用作復(fù)合循環(huán)構(gòu)造的一部分，該復(fù) 合循環(huán)構(gòu)造例如還包括蒸汽渦輪機(jī)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(jī)。工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)可在復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)或簡單 循環(huán)系統(tǒng)中工作。然而，在兩種循環(huán)系統(tǒng)中，所期望的目標(biāo)在于使工 業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)以最高的工作效率工作，從而以較低的成本產(chǎn)生較高的 電力輸出。 一般而言，在高效的工業(yè)渦輪機(jī)系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)操作壓縮機(jī) 來產(chǎn)生對應(yīng)于高燃燒溫度的循環(huán)壓力比。然而，由于壓縮機(jī)用于產(chǎn)生 高燃燒溫度或高循環(huán)壓力比，故壓縮機(jī)可經(jīng)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)?？烧J(rèn)識到的是，經(jīng)受這種失速和/ 或喘振的壓縮機(jī)可造成影響工業(yè)燃?xì)饪瘦啓C(jī)的構(gòu)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?xì)鉁u輪機(jī)限制 在循環(huán)壓力比的工作極限內(nèi)。圖1示出了壓縮機(jī)的截面圖，其中，傳感器安裝在壓縮機(jī) 內(nèi)的多個位置上以感測壓縮機(jī)參數(shù)。如圖所示，壓縮機(jī)系統(tǒng)10包括 轉(zhuǎn)子12和定子14。此外，參考標(biāo)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(jī)使用多級壓 縮，其中，定子14可構(gòu)造成用以使來自于轉(zhuǎn)子12的流準(zhǔn)備和/或重新 定向為通向后續(xù)的轉(zhuǎn)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(jī)參數(shù)。然 而，可注意到的是，為了感測參數(shù)，傳感器設(shè)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(gòu)造成用以檢測轉(zhuǎn)速的速度 傳感器以及構(gòu)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(jī)系統(tǒng)10中實現(xiàn)的壓縮機(jī)監(jiān)測和控 制系統(tǒng)的示意性示圖。壓縮機(jī)監(jiān)測和控制系統(tǒng)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(zhì)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(tǒng)包括傳 感器，用于獲取動態(tài)壓力信號36和從轉(zhuǎn)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(lián)接到傳感器(未示出)上。對應(yīng)于壓縮機(jī)參數(shù)，傳感器產(chǎn)生信號如轉(zhuǎn) 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(gòu)造成用以過濾感測到的壓縮機(jī)參數(shù)，如轉(zhuǎn)子速度信號34和動 態(tài)壓力信號36。此外，濾波器構(gòu)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(shù)中的高頻噪聲。根據(jù)本發(fā)明所構(gòu)思出的 實施例，濾波器包括多種構(gòu)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(lǐng)域的技術(shù)人員 可認(rèn)識到，這類濾波器具有諸如通帶和截止頻率的配置參數(shù)，其根據(jù) 輸入?yún)?shù)和期望輸出進(jìn)行適當(dāng)?shù)卦O(shè)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(nèi)過濾的數(shù)據(jù)。在一個實例中，移動窗口發(fā)生在至少四秒 的周期內(nèi)。存儲介質(zhì)40構(gòu)造成用以存儲被過濾的數(shù)據(jù)和/或被緩沖的 數(shù)據(jù)。在一個實施例中，控制器還構(gòu)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(lián)接到存儲介質(zhì)40上并被構(gòu)造 成用以計算被緩沖數(shù)據(jù)的快速傅里葉變換。比較器44聯(lián)接到信號處
理器42上并被構(gòu)造成用以將計算出的快速傅里葉變換數(shù)據(jù)與預(yù)定的 基準(zhǔn)值相比較。預(yù)定的基準(zhǔn)值存儲在聯(lián)接到比較器上的查找表46中。 可認(rèn)識到的是，預(yù)定的基準(zhǔn)值通過失速可能性的測量值和常數(shù)來計 算。系統(tǒng)30還包括失速指示器48,其聯(lián)接到比較器44上并被構(gòu)造成 用以基于比較來產(chǎn)生失速指示信號50。失速指示信號50聯(lián)接到壓縮 機(jī)上，用于在可能失速的情況下進(jìn)行校正動作。圖3為示出根據(jù)本發(fā)明實施例來監(jiān)測和控制壓縮機(jī)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(jī) 監(jiān)測系統(tǒng)56包括低通濾波器58,其構(gòu)造成用以接收來自于聯(lián)接到壓 縮機(jī)(圖3中未示出)上的傳感器的轉(zhuǎn)子速度信號34。在更為具體的實 施例中，低通濾波器構(gòu)造成用以通過二階低通濾波器來過濾轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器60聯(lián)接到低通濾波器上，以將過濾的轉(zhuǎn) 子速度信號轉(zhuǎn)換成葉片通過頻率62?？勺⒁獾降氖?，葉片通過頻率為機(jī)械速度和轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量的乘積。在本發(fā)明當(dāng)前構(gòu)思出的實施例中，諸如壓力的壓縮機(jī)參數(shù)
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(jìn)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(biāo)示， 并且通帶外的衰減為大約40dB。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到的那 樣，通帶對于被檢測參數(shù)中的變量因子應(yīng)當(dāng)具有數(shù)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(jī)械速度保持恒定，則帶通濾波器常數(shù)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(shù) 以反映葉片通過頻率的新位置。均方根(RMS)轉(zhuǎn)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(jié) 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(gòu)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(shù)。 在一個示例性實施例中，方框60構(gòu)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(shù)62在乘法器72處進(jìn)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(guān)的噪音)。數(shù)據(jù)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(jìn)一步分析。存儲介質(zhì)可構(gòu)造成用以存儲被緩沖的動態(tài)壓力信 號。存儲介質(zhì)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(shù)據(jù)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(dāng)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(shù)據(jù)收集器78中的向下采樣的緩沖數(shù)據(jù)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(guān)的功 率在源功率框86處設(shè)定為零，并且還乘以被變換的信號81。功率計 算機(jī)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(biāo)度的失速可能性。未有標(biāo)度的失速可能性90和入口導(dǎo)向閥標(biāo)度94在92處相 乘。入口導(dǎo)向閥的測量值87用于計算入口導(dǎo)向閥標(biāo)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(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到的那樣，失速可能性 的預(yù)定值由多個測量值計算出。此查找表包括應(yīng)用于測量值的計算常 數(shù)，其指示構(gòu)成查找表所圍繞的約束。在使用查找表的同時可使用常 數(shù)進(jìn)行計算。在本發(fā)明的一個實施例中，獲得有標(biāo)度的失速可能性99 是通過標(biāo)度系數(shù)，如入口導(dǎo)向閥標(biāo)度94和未有標(biāo)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(biāo)度的失速可能性量度包括參照 具有作為量度系數(shù)的剩余失速裕度98的查找表，該標(biāo)度系數(shù)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(jī)壓力 比85而獲得。失速指示器48構(gòu)造成用以基于有標(biāo)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(lián)接到壓縮機(jī)上。基于失速 指示信號50，可在壓縮機(jī)上實現(xiàn)校正動作，以防止可能出現(xiàn)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(jīng)在長時間周期內(nèi)處理
了緩沖數(shù)據(jù)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(jī)88構(gòu)造成 用以檢測和計算這種功率Jf值偏差。有利的是，壓縮機(jī)參數(shù)的長時間快速傅里葉變換分析減輕 了當(dāng)前分析的缺點。此外，傅里葉變換分析有助于準(zhǔn)確地捕獲異常壓 力擾動，且因此通過在分析中使用標(biāo)度系數(shù)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(jī)失速和/或喘振 之前準(zhǔn)確地預(yù)測失速和/或喘振狀態(tài)的開始，以及通過適當(dāng)?shù)鼗谠擃A(yù) 測來控制工作參數(shù)而保護(hù)壓縮機(jī)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(lǐng)域的 熟練技術(shù)人員可想到許多修改和變化。因此，應(yīng)當(dāng)理解的是，期望所 附權(quán)利要求覆蓋落入本發(fā)明真正精神內(nèi)的所有這些修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種用于監(jiān)測包括轉(zhuǎn)子的壓縮機(jī)的方法，所述方法包括(a)獲取所述轉(zhuǎn)子的動態(tài)壓力信號；(b)獲取所述轉(zhuǎn)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(nèi)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(yù)測所述壓縮機(jī)的失速狀態(tài)。
2. 根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(zhuǎn)子的機(jī)械速度信號，以及從所述機(jī)械速度信號 中除去高頻噪聲。
4. 根據(jù)權(quán)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(jī)械速度信號。
5. 根據(jù)權(quán)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(zhuǎn)子的壓縮機(jī)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括(a) 構(gòu)造成用于獲取所述轉(zhuǎn)子的動態(tài)壓力信號的壓力傳感器；(b) 構(gòu)造成用于獲取所述轉(zhuǎn)子的速度信號的速度傳感器；以及(c) 控制器，其構(gòu)造成用于使用所述轉(zhuǎn)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(nèi)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(yù)測所述壓縮機(jī)的失速狀 態(tài)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器構(gòu)造成 用于從所述轉(zhuǎn)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(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，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(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器還構(gòu)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(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括 比較器，所述比較器聯(lián)接到所述存儲介質(zhì)上并被構(gòu)造成用于將所述計 算出的快速傅里葉變換與預(yù)定值相比較。
全文摘要
本發(fā)明涉及失速和喘振檢測系統(tǒng)及方法。具體而言，提出了一種用于監(jiān)測包括轉(zhuǎn)子的壓縮機(jī)的方法。該方法包括獲取轉(zhuǎn)子的動態(tài)壓力信號，獲取轉(zhuǎn)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(nèi)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(yù)測壓縮機(jī)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(quán)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