JP2014122619A - タービンシステムにおいてファウリングを計測するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンプレッサファウリングを直接的に計測するための高信頼性のシステムを提供すること。
【解決手段】ガスタービンコンプレッサ内でファウリングを計測するためのシステム及び方法は、コンプレッサのインレット口の中に配置させた導電率抵抗センサを含む。コンプレッサファウリングの程度は、導電率抵抗センサにより計測される抵抗値の変化に相関している。抵抗値変化の計測値は、ファウリングの指標に変換されると共に、これを用いてコンプレッサの清浄をトリガしている。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示する主題は全般的にはガスタービンのコンプレッサファウリング（ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ｆｏｕｌｉｎｇ）検出に関し、またより具体的には導電率／抵抗値センサを用いてコンプレッサファウリングを計測するためのシステム及び方法に関する。

ガスタービンを含むタービンシステムは一般に、１つのコンプレッサセクションと、１つまたは複数の燃焼器と、１つのタービンセクションと、を含む。典型的には、コンプレッサセクションは引き入れた空気に圧力をかけ、次いでこの空気を燃焼器の方向に向けてあるいは燃焼器と逆に流しており、この燃焼器においてこれが燃焼器の冷却のため並びに燃焼過程用の空気提供のために用いられる。多重燃焼器タービンでは、その燃焼器は一般にタービンの周りに環状アレイの形に配置されると共に、移行ダクトによって各燃焼器のアウトレット端をタービンセクションのインレット端と接続し、燃焼過程の高温産生物をタービンに伝達している。

タービンシステムの構成要素はその動作時にファウリングによるダメージを受ける。ファウリングはコンプレッサの構成要素上への材料の堆積のことである。ファウリングは、翼（ａｉｒｆｏｉｌ）や環状表面への粒子の付着によって生じる。ファウリングを生じさせる粒子は典型的には２〜１０μｍより小さい。ファウリングによって空気力学的断面の変化に繋がり、これによってコンプレッサの効率が低下することがあり、またファウリングはタービンシステムの性能やヒートレートに大きな影響を及ぼすことがある。

コンプレッサの効率よい動作を維持するために、工業用タービンシステムのオペレータは様々なメンテナンス装置（オンライン水洗浄、オフライン検査、オフライン水洗浄及びフィルタメンテナンスを含むのが一般的）を実行する。ファウリングは、オフライン検査及びオフライン水洗浄によって除去することが可能であり、またオンライン水洗浄によって遅延させることが可能である。オンライン水洗浄によればタービンシステムをシャットダウンせずにコンプレッサが洗浄されるという利点が提供される。オンライン洗浄方式は、効率がより高いオフライン洗浄の実行のためのシャットダウン時間が動作スケジュールのために許容されない場合にタービンシステム効率を回復させている。このシステムの水ノズルは、コンプレッサの朝顔形開口ケーシングの上流側位置にあるいは直接ケーシングへのインレット位置に配置させることがある。これらのノズルは比較的低速空気の領域内部にミスト噴霧の水飛沫を生成させる。動作時においてこのミスト噴霧は、回転するコンプレッサが発生させる陰圧によって、朝顔形開口を通過しかつコンプレッサインレット内に至るように引き込まれる。

勿論、これらのタスクの実行が頻繁過ぎたり回数が少な過ぎたりすると欠点が生じる。例えば、過剰なオンライン洗浄では浸食を促進する可能性がある一方、オンライン洗浄が十分でないとコンプレッサ羽根の上へのファウリング媒介物の堆積が増加することになる。必然的に、ダウンタイムを招くタービンのシャットダウンや分解を必要とするようなオフライン検査を実施しなければならなくなる。オフライン検査は非常にコストがかかるものであるが、これらの検査を適時に実施しないと、点腐食に起因するコンプレッサ羽根の遊離（ｌｉｂｅｒａｔｉｏｎ）などのためにタービンに損傷を生じさせる可能性がある。したがって、破滅的事態を回避するようにコンプレッサ性能をモニターして修復を実施するために、タービンシステムのオペレータは慎重にスケジュール設定したオフライン検査に依拠している。

米国特許出願第２０１１／００２７０６３ Ａ１号

目下のところコンプレッサファウリングを直接的に計測するための高信頼性のシステムは存在しない。

本開示は、コンプレッサファウリングの直接計測に関する問題に対する１つの解決法を提供する。

非限定の例示的な一実施形態では、本発明はファウリング計測システムに関する。本ファウリング計測システムは、コンプレッサ内に配置させた導電率センサと、導電率センサから抵抗計測値を生成する検出器サブシステムと、を含む。本ファウリング計測システムはさらに、抵抗計測値をファウリングの指標に変換するプロセッサを含む。

別の実施形態では、コンプレッサ及びコンプレッサケーシングを有するタービンシステムを提供する。本タービンシステムはさらに、コンプレッサケーシング上に配置された導電率センサと、導電率センサの抵抗値の変化を計測するためのサブシステムと、を含む。

別の実施形態では、タービンシステムにおいてファウリングを計測するための方法は、タービンシステム内のコンプレッサケーシング上に配置された導電率センサによって抵抗値を計測し抵抗計測値を生成する工程と、該抵抗計測値にファウリングパラメータを適用する工程と、抵抗計測値をファウリング指標に変換する工程と、を含む。

本発明に関するその他の特徴及び利点については、一例として本発明のある種の趣旨の原理を図示した添付の図面に関連して取り上げた好ましい実施形態に関する以下のより詳細な説明から明らかとなろう。

ファウリング計測システムを有する例示的なタービンシステムの概要図である。 ファウリングセンサの一実施形態の概要図である。 ファウリングセンサの一実施形態の上面図である。 ファウリングセンサの等価回路図である。 ファウリングセンサの別の実施形態の図である。 図５で図６とラベル付けした部分の詳細図である。 図５のファウリングセンサの別の実施形態を線Ａ−Ａに沿って切って見た断面図である。 ファウリング計測システムの一実施形態の構成概要図である。 コンプレッサファウリングを検出するための方法の流れ図である。

本開示はコンプレッサファウリングに関する計測を提供する。この計測は、コンプレッサインレット口の位置及び／またはコンプレッサ段同士の間に配置させた導電率／抵抗値センサを用いて実現させている。ファウリングを生じさせる粒子は、コンプレッサ翼上と同じ割合で導電率／抵抗値センサ上にも被着し、これによりその抵抗値を低下させる。ファウリングの程度はこの抵抗値の低下と相関する。

図１は、タービンシステム１００の一実施形態の上半分断面概要図である。タービンシステム１００は、コンプレッサアセンブリ１０２、燃焼器アセンブリ１０４、第１段タービンノズル１０６、タービンノズル冷却サブシステム１０８、タービンアセンブリ１１０及び共通コンプレッサ／タービンシャフト１１２を含む。

動作時においてコンプレッサアセンブリ１０２を通るように空気が流れ、またコンプレッサアセンブリ１０２と流体連通する燃焼器アセンブリ１０４に対して圧縮空気が供給される。燃焼器アセンブリ１０４は、コンプレッサアセンブリ１０２からの空気を用いて例えば天然ガス及び／または燃料オイルなどの燃料に点火して燃焼させると共に、高温の燃焼ガスストリームを発生させる。燃焼器アセンブリ１０４はまた、第１段タービンノズル１０６と流体連通する。タービンノズル冷却サブシステム１０８によって第１段タービンノズル１０６の冷却を容易にしている。タービンアセンブリ１１０は共通コンプレッサ／タービンシャフト１１２と回転自在に結合してこれを駆動しており、このシャフトは続いてコンプレッサアセンブリ１０２に回転力を提供し、コンプレッサアセンブリ１０２はさらに共通コンプレッサ／タービンシャフト１１２と回転自在に結合している。この例示的実施形態では、燃焼器アセンブリ１０４を１つまたは複数存在させることがある。以下の検討では特段指示しない限り、各構成要素についてその１つだけを検討することにする。コンプレッサケーシング１２５に対してファウリング計測システム１２０が取り付けられており、ファウリング計測システム１２０の少なくとも一部分がコンプレッサアセンブリ１０２内のコンプレッサインレット口１２７中を通る空気流及び／またはコンプレッサ段同士の間の空気流に対して曝露されるようにしてこれを配置させている。

図２及び３には、ファウリング計測システム１２０の一実施形態を図示している。ファウリング計測システム１２０は、コンプレッサケーシング１２５に対して取り付けられた導電率／抵抗値センサ１２１を含む。導電率／抵抗値センサ１２１は安価でありかつ一般的な多くのシステムで使用されるタイプのものである。導電率／抵抗値センサ１２１は、コンプレッサケーシング１２５に接続するように適合させた取付構成要素１３０を含む。取付構成要素１３０はまた、第１の電極１４０及び第２の電極１４５を有する平坦な非導電性サブストレート１３５を支持している。図２に示したように、第１の電極１４０と第２の電極１４５は互いに離間させると共に、平坦非導電性サブストレート１３５だけを介して接続されている。第１の電極１４０と第２の電極１４５は信号ワイヤ１５０と接続させており、次いでこのワイヤが読取機１５５及び交番電流源１６０に接続されている。

図４には、導電率／抵抗値センサ１２１向けの等価計測回路１６７を表している。この等価計測回路は、電源１７０及び検出器１７５を含む。この回路は、信号配線抵抗１８０（Ｒ₁）、サブストレート抵抗１８５（Ｒ_2a）及び表面抵抗１９０（Ｒ_2b）を含む。表面抵抗１９０はファウリングの増加と共に低下する。総抵抗１９５（Ｒ_T）は次式に従って計算することができる。

Ｒ_T＝Ｒ₁＋Ｒ₂ （ここで、Ｒ₂＝Ｒ_2aＲ_2b／（Ｒ_2a＋Ｒ_2b））
ファウリング計測システム１２０は、コンプレッサアセンブリ１０２のコンプレッサインレット口１２７の位置及び／またはコンプレッサ段同士の間において空気流ストリーム内に配置させることがある。時間の経過と共に平坦非導電性サブストレート１３５上にファウリングを生じさせる粒子が被着し、これにより表面抵抗１９０（Ｒ_2b）が低下する。したがって総抵抗１９５（Ｒ_T）の変化は、コンプレッサアセンブリ１０２内のファウリングの程度の関数となる。平坦非導電性サブストレート１３５及び平坦非導電性サブストレート１３５上に被着した粒子の導電率は、平坦非導電性サブストレート１３５にまたがって生じる電圧降下を計測することによって計測される。この電圧降下は、回路部分からの電流を平坦非導電性サブストレート１３５及び平坦非導電性サブストレート１３５上に被着した粒子に通すことによって第１の電極１４０と第２の電極１４５の間で計測される。

図５、６及び７には、コンプレッサケーシング１２５に取り付け得る円筒状のセンサ２００を表している。図５は、円筒状センサ２００についてコンプレッサケーシング１２５を部分的に切り欠きした斜視図である。図７は、図５の線Ａ−Ａに沿って切って見た円筒状センサ２００の断面図である。円筒状センサ２００はコンプレッサインレット口１２７内に配置させている。円筒状センサ２００は、取付構成要素２１５、下側キャップ２２０、高抵抗表面導体２２５及び端部キャップ２３０を含む。円筒状センサ２００の内部には、第１の電極２３５及び第２の電極２４０を配置させている。端部キャップ２３０と高抵抗表面導体２２５の界面は、表面ファウリングに対する感度を改善するように延長界面２４５（図６参照）とすることがある。この感度増加は、第１の電極２３５と第２の電極２４０の間で高抵抗表面２２５上のファウリング堆積に対して曝露させる相対面積を増大させることによって実現させている。第１の電極２３５と第２の電極２４０は信号ワイヤ２５０に接続させている。円筒状センサ２００の等価回路は導電率／抵抗値センサの等価回路と同じであり、またそのファウリングの程度は高抵抗表面導体２２５の両端で計測した抵抗値の低下と相関させることが可能である。

動作時には円筒状センサ２００及び導電率／抵抗値センサ１２１は、コンプレッサインレット口１２７あるいはより後のいずれかの段に配置させることがある。導電率／抵抗値センサ１２１の場合は、平坦非導電性サブストレート１３５をまたがって第１の電極１４０と第２の電極１４５の間に電流を提供している。抵抗値は読取機１６５によって計測される。この抵抗値または導電率は、導電率／抵抗値センサ１２１を通る電圧降下を所定の値に維持するために円筒状センサ２００及び導電率／抵抗値センサ１２１を通過させねばならない電流の値を決定することによって計測されることがある。時間の経過と共に、平坦非導電性サブストレート１３５上に粒子が被着し、このため第１の電極１４０と第２の電極１４５の間の抵抗値が低下する。抵抗値の低下はファウリングの程度と相関する。円筒状センサ２００の場合は、高抵抗表面導体２２５をまたがって第１の電極２３５と第２の電極２４０の間に電流を提供している。粒子が高抵抗表面導体２２５に付くに連れて、回路の全体抵抗値が低下する。

図８は、ファウリング計測システム２５１の構成概要図である。ファウリング計測システム２５１は１つまたは複数の導電率センサ２５５を含む。導電率センサ２５５は、計測済抵抗モジュール２６５に信号を提供しこの信号を処理モジュール２７０による処理が可能な出力に変換する。処理モジュール２７０は、モデルベースの制御及びカルマン（Ｋａｌｍａｎ）フィルタを利用して計測済抵抗を処理すると共に、特徴付けモジュール２７５に対して入力を提供する。モデルベース制御は、ファウリング計測システム２５１のモデルから導出する。モデル化に至る方式の１つは、システム同定として知られる数値処理を利用している。システム同定には、システムからデータを収集し、次いで刺激−反応データを数値解析してシステムのパラメータを推定することが必要である。処理モジュール２７０は、データのシフトを同定するために、カルマンフィルタ処理、トラッキングフィルタ処理、回帰マッピング、ニューラル（ｎｅｕｒａｌ）マッピング、逆モデル化技法、あるいはこれらの組み合わせなどのパラメータ同定技法を利用することがある。このフィルタ処理は修正カルマンフィルタ、拡張カルマンフィルタや別のフィルタ処理アルゴリズムによって実行されることがあり、あるいはこのフィルタ処理をスクエア型（ｎ入力、ｎ出力）や非スクエア型（ｎ入力、ｍ出力）のレギュレータの別の形態によって実行することがある。特徴付けモジュール２７５は、ファウリングを導電率や抵抗値の計測値変化の関数として特徴付けする。特徴付けモジュール２７５は抵抗値をファウリングの程度に相関させる較正入力２８０を受け取ることがある。較正は生産施設においてあるいは現場内で行われることがある。特徴付けモジュール２７５はまた、入力として最終のオフライン水洗浄２８５以降の時間を受け取ることがある。特徴付けモジュール２７５からの出力は、グラフィックユーザインタフェースなどの表示モジュール２９５に対して提供されることがある。表示モジュール２９５の出力３００は、コンプレッサ洗浄に関する推奨またはトリガとすることがある。

ファウリング計測システム２５１は、従来型のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｐｅｅｄｔｒｏｎｉｃ^TM Ｍａｒｋ ＶＩタービンシステム制御システムなどより大型の制御システム内に組み込まれることがある。ＳｐｅｅｄＴｒｏｎｉｃ^TM制御器は、タービンシステムに関連付けされた様々なセンサや別の計測器をモニターしている。燃料流量などタービンの特定の機能の制御に加えて、ＳｐｅｅｄＴｒｏｎｉｃ^TM制御器はそのタービンセンサからデータを作成し、このデータをタービンオペレータに対して表示するように提示する。このデータは、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｉｍｐｌｉｃｉｔｙ^TM ＨＭＩソフトウェア成果物などデータチャートやその他のデータ提示を生成するソフトウェアを用いて表示させることがある。

Ｓｐｅｅｄｔｒｏｎｉｃ^TM制御システムは、センサ入力や人間のオペレータからの命令を用いてタービンシステムの動作を制御させるプログラムを実行するマイクロプロセッサを含んだコンピュータシステムである。この制御システムは、ソフトウェア内あるいは実配線型の論理回路によって実現し得るサンプルアンドホールド、和差ユニットなどの論理ユニットを含む。制御システムプロセッサが発したコマンドはタービンシステム上のアクチュエータに対して、例えば燃焼室に燃料を供給する燃料制御システムの調整、コンプレッサに合わせたインレット案内翼の設定、並びにタービンシステムに関する別の制御設定値の調整をさせている。

この制御器は、プロセッサが実行する様々なアルゴリズムを用いてセンサ読み値をデータに変換しているコンピュータプロセッサ及びデータ記憶装置を含むことがある。アルゴリズムが作成したデータは、タービンシステムの様々な動作条件を示している。このデータは、オペレータディスプレイ（オペレータディスプレイと電子的に結合させたコンピュータワークステーションなど）の上に提示されることがある。このディスプレイ及び／または制御器は、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｉｍｐｌｉｃｉｔｙ^TMデータ監視／制御ソフトウェアアプリケーションなどのソフトウェアを用いてデータ表示及びデータ印字出力を作成することがある。

図９には、一実施形態に従ったタービンシステムにおいてファウリングを計測するための方法３５０を表している。方法３５０は、ファウリング計測システム２５１によって実現させている。

工程３５５において方法３５０は、タービンシステム内のケーシング上に配置させた導電率センサ２５５（または、導電率センサのアレイ）によって抵抗値を計測する。

工程３６０において方法３５０は、抵抗計測値の変化を決定する。

工程３６５において方法３５０は、抵抗計測値にファウリングパラメータを適用する。

工程３７０において方法３５０は、抵抗計測値をファウリング指標に変換する。

工程３７５において方法３５０は、表示モジュール２９５にファウリング指標を表示する。

工程３８０において方法３５０は、コンプレッサ洗浄をトリガする信号を発生させる。

用語の定義が当該用語の通常使用される意味から逸脱している場合、出願人は以下に示した定義を利用するように意図している（ただし、特に指定する場合を除く）。

本明細書で用いる用語法は、具体的な実施形態の記述のみを目的としたものであり、本発明の限定を意図していない。用語の定義が当該用語の通常使用される意味から逸脱している場合、出願人は以下に示した定義を利用するように意図している（ただし、特に指定する場合を除く）。単数形で「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」としていてもその複数形も同様に含むように意図している（ただし、コンテキストから含まないことが明瞭に指示される場合を除く）。様々な要素の記述において第１の、第２の、その他の用語を用いることがあるが、これらの要素はこれらの用語により限定すべきでないことが理解されよう。これらの用語は単に、ある要素を別の要素と区別するために用いたものである。用語「及び／または」には、列挙した関連する１つまたは複数の項目のうちのいずれかのみ、全部、これらの組み合わせが含まれる。「に結合させ（ｃｏｕｐｌｅｄ ｔｏ）」及び「と結合させ（ｃｏｕｐｌｅｄ ｗｉｔｈ）」という表現は、直接的な結合や間接的な結合を企図している。

記載したこの説明では、本発明（最適の形態を含む）を開示するため、並びに当業者による任意のデバイスやシステムの製作と使用及び組み込んだ任意の方法の実行を含む本発明の実施を可能にするために例を使用している。本発明の特許性のある範囲は本特許請求の範囲によって規定していると共に、当業者により行われる別の例を含むことができる。こうした別の例は、本特許請求の範囲の文字表記と異ならない構造要素を有する場合や、等価的な構造要素を含む場合があるが、本特許請求の範囲の趣旨域内にあるように意図したものである。

１００ タービンシステム
１０２ コンプレッサアセンブリ
１０４ 燃焼器アセンブリ
１０６ 第１段タービンノズル
１０８ タービンノズル冷却サブシステム
１１０ タービンアセンブリ
１１２ 共通コンプレッサ／タービンシャフト
１２０ ファウリング計測システム
１２１ 導電率／抵抗値センサ
１２５ フォワードコンプレッサケーシング
１２７ コンプレッサインレット口
１３０ 取付構成要素
１３５ 平坦非導電性サブストレート
１４０ 第１の電極
１４５ 第２の電極
１５０ 信号ワイヤ
１５５ 読取機
１６０ 交番電流源
１６５ 読取機
１６７ 等価計測回路
１７０ 電源
１７５ 検出器
１８０ 信号配線抵抗
１８５ サブストレート抵抗
１９０ 表面抵抗
１９５ 総抵抗
２００ 円筒状センサ
２１５ 取付構成要素
２２０ 下側キャップ
２２５ 高抵抗表面導体
２３０ 端部キャップ
２３５ 第１の電極
２４０ 第２の電極
２４５ 延長界面
２５０ 信号ワイヤ
２５１ ファウリング計測システム
２５５ 導電率センサ
２６５ 計測済抵抗モジュール
２７０ 処理モジュール
２７５ 特徴付けモジュール
２８０ 較正入力
２８５ 最終オフライン水洗浄
２９５ 表示モジュール
３００ 出力
３５０ 方法
３５５ 工程
３６０ 工程
３６５ 工程
３７０ 工程
３７５ 工程
３８０ 工程

Claims (20)

1. コンプレッサ内に配置させた導電率センサと、
   導電率センサから抵抗計測値を生成する検出器サブシステムと、
   抵抗計測値をファウリングの指標に変換するプロセッサと、
   を備えるファウリング計測システム。
2. 前記導電率センサはサブストレート及び１対の電極を備える、請求項１に記載のファウリング計測システム。
3. 前記サブストレート及び１対の電極は、コンプレッサを通る空気流に対して曝露させている、請求項２に記載のファウリング計測システム。
4. 前記サブストレートは高抵抗の表面導体を備えている、請求項３に記載のファウリング計測システム。
5. 前記導電率センサはコンプレッサケーシングに対して取り付けられている、請求項１に記載のファウリング計測システム。
6. アレイ状に配置させた追加的な１つまたは複数の導電率センサをさらに備える請求項１に記載のファウリング計測システム。
7. 前記導電率センサは水洗浄器より下流側に配置されている、請求項１に記載のファウリング計測システム。
8. タービンシステムにおいてファウリングを計測するための方法であって、
   抵抗計測値を作成するためにタービンシステム内のケーシング上に配置された導電率センサによって抵抗値を計測する工程と、
   抵抗計測値にファウリングパラメータを適用するする工程と、
   抵抗計測値をファウリング指標に変換する工程と、
   を含む方法。
9. 抵抗計測値の変化を決定する工程をさらに含む請求項８に記載のタービンシステムでファウリングを計測する方法。
10. 導電率センサにより抵抗計測値を計測する前記工程は導電率センサのアレイによって抵抗計測値を計測する工程を含む、請求項８に記載のタービンシステムでファウリングを計測する方法。
11. ファウリング指標をディスプレイに表示する工程をさらに含む請求項８に記載のタービンシステムでファウリングを計測する方法。
12. コンプレッサ洗浄をトリガするための信号を発生させる工程をさらに含む請求項８に記載のタービンシステムでファウリングを計測する方法。
13. コンプレッサと、
    コンプレッサケーシングと、
    コンプレッサケーシング上に配置された導電率センサと、
    導電率センサの抵抗値の変化を計測するためのサブシステムと、
    を備えるタービンシステム。
14. 抵抗値の変化をファウリングの指標に変換するためのサブシステムをさらに備える請求項１３に記載のタービンシステム。
15. 前記ファウリングの指標を表示するように適合させたディスプレイをさらに備える請求項１４に記載のタービンシステム。
16. 導電率センサの抵抗値の変化を受け取ると共に該抵抗値変化をファウリングの指標に変換するために較正パラメータを適用するプロセッサをさらに備える請求項１３に記載のタービンシステム。
17. 前記プロセッサはコンプレッサ洗浄をトリガする時点を決定している、請求項１６に記載のタービンシステム。
18. 前記導電率センサは高抵抗サブストレート上に配置させた１対の電極を備えている、請求項１３に記載のタービンシステム。
19. 前記導電率センサはコンプレッサを通る空気流に対して曝露させている、請求項１３に記載のタービンシステム。
20. コンプレッサケーシング上に配置された導電率センサのアレイをさらに備える請求項１３に記載のタービンシステム。