Schutzverfahren und Steuerungssystem für eine Gasturbine

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schützen einer Gasturbine (1) vor Beschädigungen durch Druckpulsationen (P),

• bei dem im Betrieb der Gasturbine (1) auftretende Druckpulsationen (P) gemessen werden,
• bei dem aus den gemessenen Druckpulsationen (P) ein Pulsations-Zeit-Signal (PZS) generiert wird,
• bei dem das Pulsations-Zeit-Signal (PZS) in ein Pulsations-Frequenz-Signal (PFS) transformiert wird,
• bei dem aus dem Pulsations-Frequenz-Signal (PFS) für wenigstens ein vorbestimmtes Überwachungsfrequenzband (12) ein Pulsationspegel (PL) ermittelt wird,
• bei dem der Pulsationspegel (PL) im Hinblick auf das Auftreten wenigstens einer vorbestimmten Auslösebedingung überwacht wird,
• bei dem beim Auftreten der Auslösebedingung eine vorbestimmte Schutzaktion (16) durchgeführt wird.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz einer Gasturbine vor Beschädigungen durch Druckpulsationen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Steuerungssystem zur Durchführung eines derartigen Schutzverfahrens.

Stand der Technik

[0002] Im Betrieb einer Gasturbine kann es, insbesondere in einer Brennkammer der Gasturbine, aufgrund des Verbrennungsprozesses zu Druckpulsationen kommen. Derartige Erscheinungen können in Frequenzbereichen von 2 Hz bis mehreren kHz auftreten und werden entsprechend auch als Humming, Screetching oder allgemeiner auch als Flammeninstabilitäten bezeichnet. Diese Pulsationen können, wenn sie hohe Amplituden aufweisen oder zu lange andauern, ernsthafte Schäden an der Struktur bzw. an einzelnen Komponenten der Gasturbine, insbesondere an deren Brennkammer, verursachen, was die Lebenszeit der Gasturbine verkürzt. Des weiteren können Pulsationen Funktionsstörungen der Verbrennungsreaktion signalisieren, die beispielsweise durch Schwankungen in der Brennstoff- und/oder Frischluftversorgung oder durch abrupte Lastwechsel verursacht werden können. Im Einzelfall können die Pulsationen auch die Verbrennungsreaktion bzw. deren Flamme löschen, was zur Bildung eines explosiven Gasgemischs führt.

[0003] Moderne Gasturbinen sind daher mit einem Pulsationsschutzsystem ausgestattet, das zum einen die im Betrieb der Gasturbine auftretenden Druckpulsationen erfasst, und das zum anderen beim Auftreten definierter Auslösebedingungen, wie zum Beispiel dem plötzlichen Auftreten von Pulsationen mit sehr hohen Amplituden oder dem Auftreten von Pulsationen mittlerer Amplitude während eines längeren Zeitraums, entsprechende Schutzaktionen veranlasst, wie beispielsweise das Abschalten der Gasturbine. Die Messung der Druckpulsationen kann beispielsweise mit Hilfe eines entsprechenden Drucksensors erfolgen, mit dessen Hilfe ein Pulsations-Zeit-Signal generiert werden kann, das mit den auftretenden Pulsationen korreliert. Unter einem "Pulsations-Zeit-Signal" wird im vorliegenden Zusammenhang ein Signal verstanden, das die Amplituden der Pulsationen (Ordinatenwerte) in Abhängigkeit der Zeit (Abszissenwerte) repräsentiert. Das so ermittelte Pulsations-Zeit-Signal kann nun unter Anwendung elektronischer oder digitaler Methoden entsprechend Tchebychev od. ä. in bestimmte Überwachungsfrequenzbänder aufgeteilt werden, die individuell analysiert und ausgewertet werden können. Dabei kann es zweckmäßig sein, innerhalb des jeweiligen Überwachungsfrequenzbands eine Mittelwertbildung durchzuführen.

[0004] Eine derartige Vorgehensweise zum Schutz der Gasturbine vor Beschädigungen durch Druckpulsationen arbeitet jedoch vergleichsweise ungenau. Aus Sicherheitsgründen kann es daher zu Schutzaktionen, zum Beispiel zu einer Notabschaltung der Gasturbine kommen, auch wenn dies an sich noch nicht erforderlich wäre. Eine unnötig herbeigeführte Abschaltung der Gasturbine ist jedoch mit hohen Kosten und Einnahmeausfällen verbunden.

Darstellung der Erfindung

[0005] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für den Schutz einer Gasturbine vor Beschädigungen durch Druckpulsationen einen verbesserten Weg aufzuzeigen, der insbesondere eine vergleichsweise hohe Zuverlässigkeit aufweist und unnötige Schutzaktionen nach Möglichkeit vermeidet.

[0006] Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

[0007] Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Druckpulsationen mit Hilfe eines Pulsations-Frequenz-Signals zu überwachen. Die Erfindung zeichnet sich dabei dadurch aus, dass die Bandfrequenzen sehr scharf eingehalten werden, und die Signal-Durchlässigkeit innerhalb des Bandes bzw. die Signal-Blockierung ausserhalb des Bandes beliebig ideal ist entsprechend der eingesetzten Systemleistung (zum Beispiel Rechnerleistung). Unter einem "Pulsations-Frequenz-Signal" wird im vorliegenden Zusammenhang ein Signal verstanden, das die Amplituden der Pulsationen (Ordinatenwerte) in Abhängigkeit der Frequenz (Abszissenwerte) darstellt. Aus einem derartigen Pulsations-Frequenz-Signal lassen sich vorbestimmte Überwachungsfrequenzbänder besonders einfach entnehmen. Des weiteren können die Frequenzbänder ideal schmal entsprechend eingesetzter Systemleistung (Rechnerleistung) ausgewählt werden, was es ermöglicht, bestimmte Pulsationsfrequenzen gezielt und separat zu überwachen, ohne deren Amplituden zu verfälschen. Die Erfindung beruht dabei auch auf der Erkenntnis, dass störende oder kritische, also gefährliche Pulsationsfrequenzen relativ dicht neben harmlosen Pulsationsfrequenzen liegen können, so dass ein vergleichsweise breites Überwachungsfrequenzband systembedingt auch harmlose Pulsationsfrequenzen erfasst und dementsprechend nicht von den kritischen Pulsationsfrequenzen unterscheiden kann sowie eine Verfälschung, insbesondere Überhöhung, der Amplituden gewisser Pulsationsfrequenzen auftritt. Die Breite der Überwachungsfrequenzbänder kann bei einem Pulsations-Zeit-Signal mittels herkömmlicher Bandfilter (Tchebychev od. ä.) nicht beliebig klein gewählt werden. Dies wirkt sich aufgrund der technischen Merkmale dieser Bandfilter umso deutlicher aus, je größer die auszufilternden Frequenzen sind. Da die kritischen Pulsationsfrequenzen je nach Typ der Gasturbine, insbesondere bei mehr als 1 kHz liegen, sind die bei einem Pulsations-Zeit-Signal auswählbaren Überwachungsfrequenzbänder regelmäßig relativ breit. Im Unterschied dazu lassen sich die Überwachungsfrequenzbänder beim Pulsations-Frequenz-Signal ideal eng entsprechend eingesetzter Systemleistung wählen, so dass es insbesondere möglich ist, dicht benachbarte harmlose Pulsationsfrequenzen von der Pulsationsüberwachung auszugrenzen.
Weiterhin kann bei einer bevorzugten Ausführungsform eine dynamische Anpassung der Systemparameter (insbesondere Bandpassgrenzen, Zeitkonstanten etc.) an unterschiedliche Betriebszustände der Gasturbine, beispielsweise Normalbetrieb, Hochfahren, Ablasten, Brennstoffwechsel etc., erfolgen.

[0008] Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann ein Pulsationspegel, der innerhalb des jeweiligen Überwachungsfrequenzbands überwacht wird, durch den maximalen Pulsationswert im jeweiligen Überwachungsfrequenzband gebildet sein. Das heißt, innerhalb des jeweiligen Überwachungsfrequenzbands wird jeweils das Pulsationsmaximum (Peak) überwacht. Im Unterschied zu einer alternativ möglichen Summenbildung oder Integration bzw. allgemein einer Mittelwertbildung gewährleistet die Überwachung des Pulsationsmaximums, dass mit hoher Wahrscheinlichkeit ausschließlich der Pegel der tatsächlich gefährlichen bzw. kritischen Pulsationsfrequenz beobachtet wird, was die Zuverlässigkeit der Überwachung verbessert.

[0009] Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung kann das Überwachungsfrequenzband bei einer Frequenzverschiebung des maximalen Pulsationswerts dem maximalen Pulsationswert durch einen geeigneten Algorithmus nachgeführt werden, und zwar so, dass der maximale Pulsationspegel stets innerhalb des Überwachungsfrequenzbands verbleibt. Bei dieser Ausführungsform wird berücksichtigt, dass sich die dem jeweiligen Überwachungsfrequenzband zugeordnete kritische Pulsationsfrequenz verändern kann. Beispielsweise hängt die gemessene Pulsationsfrequenz von der Schallgeschwindigkeit am Entstehungsort der Pulsationen ab, die ihrerseits temperaturabhängig ist. Im Betrieb der Gasturbine kann sich insbesondere in deren Brennkammer die Temperatur verändern, was eine entsprechende Änderung der Schallgeschwindigkeit zur Folge hat und somit zu einer Verschiebung der kritischen Pulsationsfrequenzen führt. Andere Parameter, welche die Pulsationsfrequenz beeinflussen, sind beispielsweise die Gaszusammensetzung. Diese kann sich beispielsweise dadurch ändern, dass ein anderer Brennstoff verwendet wird und/oder ein anderes Brennstoff-LuftGemisch (λ-Wert) und/oder ein anderes Brennstoff-Wasser-Gemisch (Ω-Wert) eingestellt wird. Durch die automatische Nachführung des Überwachungsfrequenzbands kann die zu überwachende kritische Pulsationsfrequenz nicht aus dem Überwachungsfrequenzband hinauswandern. Dies führt dazu, dass mit Hilfe der Erfindung unnötigerweise ausgelöste Schutzaktionen, Steuerungsfehler oder Fehlinterpretationen der Druckpulsationen aufgrund oben genannter Veränderungen nicht mehr auftreten.

[0010] Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann das erfindungsgemäße Signalverarbeitungsverfahren für den Maschinenschutz entsprechend einer Auslösestrategie verwendet werden. Diese Auslösestrategie kann sich dadurch kennzeichnen, dass sie mit einem Auslösezähler und mit einem Rückstellzähler arbeitet, wobei der Auslösezähler die Zeit, während der der jeweilige Pulsationspegel oberhalb eines vorbestimmten Pegelgrenzwerts liegt, auf den jeweils vorausgehenden Zählerstand aufsummiert. Die Auslösebedingung tritt dann auf und die vorbestimmte Schutzaktion wird dann gestartet, wenn der Auslösezähler einen vorbestimmten Auslösezählerstand erreicht. Im Unterschied dazu summiert der Rückstellzähler die Zeit, während der der jeweilige Pulsationspegel nicht oberhalb des zuvor genannten Pegelgrenzwerts liegt, jeweils auf einen auf Null gestellten Zählerstand auf. Des Weiteren wird immer dann der Zählerstand des Auslösezählers auf Null gestellt, sobald der Rückstellzähler einen vorbestimmten Rückstellzählerstand erreicht. Durch die erfindungsgemäße Auslösestrategie führen zum einen kritische Pulsationsfrequenzen, deren Amplitude für längere Zeit oberhalb des vorbestimmten Pegelgrenzwerts liegt, zum Auslösen der jeweiligen Schutzaktion. Zum anderen löst auch eine Abfolge von kritischen Pulsationsamplituden, die zwar jeweils nur relativ kurzzeitig auftreten, jedoch mit vergleichsweise kleinen Abständen aufeinander folgen, ebenfalls die jeweilige Schutzaktion aus. Andererseits wird der Auslösezähler auf Null zurückgestellt, wenn während eines Zeitraums, der durch den vorbestimmten Rückstellzählerstand definiert ist, keine kritischen Pulsationsamplituden auftreten. Auf diese Weise können kurzzeitige, vorübergehende und unschädliche Störungen von ernsthaften Störungen des Pulsationsverhaltens unterschieden werden. Dementsprechend kann auch durch dieses Schutzverfahren ein unnötiges Abschalten der Gasturbine vermieden werden. Des Weiteren lassen sich mit diesem Schutzverfahren verschiedene Auslösebedingungen abdecken. Beispielsweise können die Zeiteinstellung und/oder der Triggerpegel für verschiedene Betriebszustände der Gasturbine, beispielsweise Normalbetrieb, Hochfahren, Abschalten, unterschiedlich gewählt werden. Durch die vorgeschlagene Kombination kann ein besonders effektiver Schutz der Gasturbine vor Beschädigungen durch Druckpulsationen erreicht werden.

[0011] Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0012] Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1

ein Schaubild nach Art eines Flussdiagramms des erfindungsgemäßen Schutzverfahrens,

Fig. 2

eine Ansicht wie in Fig. 1, jedoch für einen anderen Bestandteil des Verfahrens,

Fig. 3

eine schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Steuerungssystems nach der Erfindung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0013] Entsprechend Fig. 1 umfasst eine Gasturbine 1 üblicherweise einen Verdichter 2, eine Brennkammer 3 sowie eine Turbine 4. In der Gasturbine 1, insbesondere in deren Brennkammer 3, können im Betrieb der Gasturbine 1 Druckpulsationen P auftreten. Diese Druckpulsationen oder kurz Pulsationen P werden z.B. im Bereich der Brennkammer 3 mit Hilfe einer geeigneten Sensorik 5 gemessen. Die Sensorik 5 kann dabei beispielsweise ein Mikrophon, einen dynamischen Druckübersetzer, einen piezoelektrischen Druckaufnehmer, einen piezoresistiven Druckaufnehmer oder eine sonstige zur Erfassung der Druckpulsationen geeignete Einrichtung aufweisen. Ebenso können die Druckpulsationen P beispielsweise indirekt über die Beschleunigung von Brennkammerkomponenten ermittelt werden. Die gemessenen Druckpulsationen P können beispielsweise mittels eines geeigneten Verstärkers 6 aufbereitet werden, um daraus ein Pulsations-Zeit-Signal PZS zu generieren. Das Pulsations-Zeit-Signal PZS repräsentiert dabei die Abhängigkeit der Pulsation P von der Zeit t. In Fig. 1 ist dieser Zusammenhang durch ein Diagramm 7 visualisiert, bei dem die Pulsation P die Ordinate bildet, während die Zeit t die Abszisse bildet.

[0014] Bei der vorliegenden Erfindung wird nun das Pulsations-Zeit-Signal PZS in ein Pulsations-Frequenz-Signal PFS transformiert, das die Abhängigkeit der Pulsation P von der Frequenz f beinhaltet (Frequenzspektrum). Das so ermittelte Pulsations-Frequenz-Signal PFS ist in Fig. 1 durch ein Diagramm 8 visualisiert, dessen Ordinate durch die Pulsation P gebildet ist, und dessen Abszisse durch die Frequenz f gebildet ist. Das Pulsations-Frequenz-Signal PFS kann aus dem Pulsations-Zeit-Signal PZS mit Hilfe einer geeigneten mathematischen, insbesondere numerischen Methode, beispielsweise mit Hilfe eines Fourier-Transformators 9, hergeleitet werden, der hierzu eine entsprechende Fourier-Analyse durchführt. Die Fourier-Transformation ist in Fig. 1 durch ein Diagramm 10 symbolisch dargestellt. Der Fourier-Transformator 9 kann beispielsweise mittels FFT (Fast-Fourier-Transformation) oder mittels DFT (Diskrete-Fourier-Transformation) arbeiten. Dem FourierTransformator 9 kann ein Gleichrichter 11, insbesondere ein RMS-Gleichrichter nachgeschaltet sein, wobei RMS für Root Mean Square steht (also quadratischer Mittelwert, hier Effektivsignalpegel).

[0015] Des weiteren kann das Pulsations-Frequenz-Signal PFS zusätzlich aufbereitet werden. Beispielsweise können Störungen unterdrückt werden.

[0016] Innerhalb des Pulsations-Frequenz-Signals PFS wird wenigstens ein vorbestimmtes Überwachungsfrequenzband 12 überwacht. Vorzugsweise werden jedoch mehrere vorbestimmte Überwachungsfrequenzbänder 12 überwacht. Die Überwachungsfrequenzbänder 12 sind in einem weiteren Diagramm 13 mit geschweiften Klammern gekennzeichnet.

[0017] Grundsätzlich ist es möglich, die Überwachungsfrequenzbänder 12 so zu wählen, dass mehrere zu überwachende störende oder kritische oder gefährliche Pulsationsfrequenzen im jeweiligen Überwachungsfrequenzband 12 liegen. Bevorzugt wird hier jedoch eine Ausführungsform, bei welcher in jedem Überwachungsfrequenzband 12 genau eine zu überwachende, kritische Pulsationsfrequenz liegt.

[0018] Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung wird darin gesehen, dass innerhalb des Pulsations-Frequenz-Signals PFS die Überwachungsfrequenzbänder 12 mit vergleichsweise kleinen Frequenzbandbreiten ausgewählt werden können. Hierdurch wird es ermöglicht, kritische, gefährliche Pulsationsfrequenzen klar von unkritischen, harmlosen Pulsationsfrequenzen zu trennen und somit zu unterscheiden, selbst wenn die harmlosen Pulsationsfrequenzen relativ dicht neben kritischen, gefährlichen Pulsationsfrequenzen liegen.

[0019] Für jedes vorbestimmte Überwachungsfrequenzband 12 wird ein Pulsationspegel PL ermittelt. Dieser Pulsationspegel PL korreliert dabei mit einer Pulsationsamplitude der überwachten Pulsationsfrequenz innerhalb des jeweiligen Überwachungsfrequenzbands 12.

[0020] Die Bestimmung des Pulsationspegels PL kann dabei auf unterschiedliche Weise erfolgen. Beispielsweise kann innerhalb des jeweiligen Überwachungsfrequenzbands 12 ein Mittelwert der im Überwachungsfrequenzband 12 auftretenden Pulsationsamplituden gebildet werden. Insbesondere können auch hier wieder Effektivwerte bzw. quadratische Mittelwerte gebildet werden. Die Mittelwertbildung eignet sich insbesondere dann für die Bestimmung des Pulsationspegels PL, wenn dem jeweiligen Überwachungsfrequenzband 12 mehr als eine vorbestimmte kritische Pulsationsfrequenz zugeordnet ist.

[0021] Alternativ kann bei einer bevorzugten Ausführungsform innerhalb des jeweiligen Überwachungsfrequenzbands 12 der Pulsationspegel PL dadurch bestimmt werden, dass für den Pulsationspegel PL jeweils der maximale Pulsationswert (Spitzenwert), der im jeweiligen Überwachungsfrequenzband 12 auftritt, verwendet wird. Dieser Zusammenhang ist im Diagramm 13 dargestellt. Die Pulsationsmaxima werden jeweils durch Spitzen (peaks) des Pulsations-Frequenz-Signals PFS gebildet und definieren dadurch den jeweiligen Pulsationspegel PL.

[0022] Erfindungsgemäß werden nun die Pulsationspegel PL im Hinblick auf das Auftreten wenigstens einer vorbestimmten Auslösebedingung überwacht. Diese Überwachung ist in Fig. 1 beispielhaft in einem weiteren Diagramm 14 wiedergegeben, das den zeitlichen Verlauf des Pulsationspegels PL darstellt. Dabei bildet im Diagramm 14 der Pulsationspegel PL die Ordinate, während die Abszisse durch die Zeit t gebildet ist. Das Diagramm 14 zeigt hier den zeitlichen Verlauf des Pulsationspegels PL, also ein Pulsationspegel-Zeit-Signal PLZS für ein einzelnes Überwachungsfrequenzband 12 und somit insbesondere für nur eine zu überwachende kritische Pulsationsfrequenz.

[0023] Dementsprechend wird hier ein Pulsationspegel-Zeit-Signal PLZS generiert, das dann im Hinblick auf die wenigstens eine Auslösebedingung überwacht wird. Dabei ist es grundsätzlich möglich, dieses Pulsationspegel-Zeit-Signal PLZS auf geeignete Weise aufzubereiten. Insbesondere kann auch hier eine Mittelwertbildung erfolgen, insbesondere durch Bestimmung des Effektivwerts.

[0024] Die Pulsationspegel PL werden für die verschiedenen Überwachungsfrequenzbänder 12 zweckmäßig unabhängig voneinander überwacht.

[0025] Als Auslösebedingung kann beispielsweise ein maximaler Pulsationspegel PL_max dienen. Sobald der Pulsationspegel PL den maximalen Pulsationspegel PL_max erreicht, liegt diese Auslösebedingung vor. Dies ist im Diagramm 14 durch den Schnittpunkt des Pulsationspegel-Zeit-Signal PLZS mit dem Maximalwert des Pulsationspegels PL_max gegeben, der in den Diagrammen 13 und 14 mit 15 bezeichnet ist. Der Schnittpunkt 15 repräsentiert somit das Auftreten der genannten Auslösebedingung, was erfindungsgemäß eine vorbestimmte Schutzaktion auslöst, die hier in den Diagrammen 13 und 14 durch einen Pfeil 16 symbolisiert ist. Diese Schutzaktion 16 kann beispielsweise eine Zurücknahme der Brennstoffzufuhr und/oder eine Anfettung des Brennstoff/Luft-Gemischs oder ein Abschalten der Brennkammer 3, aber auch lediglich eine Alarmierung des Operators sein. Ebenso sind andere Schutzreaktionen 16 oder Kombinationen derartiger Maßnahmen möglich.

[0026] Sofern - wie hier - der Pulsationspegel PL innerhalb der einzelnen Überwachungsfrequenzbänder 12 durch den darin auftretenden Spitzenwert (peak) gebildet ist, bietet sich gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform die Möglichkeit, das Überwachungsfrequenzband 12 nicht statisch festzulegen, sondern dieses dynamisch an Verschiebungen des maximalen Pulsationswerts, also hier des Pulsationspegels PL anzupassen. Dies erfolgt durch eine entsprechende Verschiebung des jeweiligen Überwachungsfrequenzbands 12, derart, dass der peak des Pulsations-Frequenz-Signals PFS innerhalb des Überwachungsfrequenzbands 12 verbleibt. Eine Verschiebung der zu überwachenden kritischen Pulsationsfrequenz entlang der Abszisse, also eine Frequenzverschiebung, tritt beispielsweise dann auf, wenn sich innerhalb der Brennkammer 3 zum Beispiel durch Temperaturänderung die Schallgeschwindigkeit verändert. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass die zu überwachende Pulsationsfrequenz aus dem Überwachungsfrequenzband 12 hinauswandert, selbst wenn für das Überwachungsfrequenzband 12 nur eine sehr kleine Frequenzbandbreite gewählt wird.

[0027] Zur Aufbereitung des Pulsations-Frequenz-Signals PFS ist es außerdem möglich, Harmonische auszublenden. Beispielsweise wird hierzu beim Auftreten einer Pulsation in einem entsprechenden Prüfband zunächst überprüft, ob es sich hierbei um eine Harmonische einer Pulsation (Grundfrequenz, Basis) aus einem niedrigen Frequenzbereich handeln könnte. Ist dies der Fall, werden alle Harmonischen aus dem betrachteten Teil des Pulsations-Frequenz-Signals PFS gelöscht, das heißt, die Signalamplituden über den betreffenden Frequenzen auf Null gesetzt. Pulsationspegel werden somit nur dann bei der Überwachung berücksichtigt, wenn es sich bei der zugehörigen Pulsation eben nicht um eine Harmonische handelt. Denn die der Harmonischen zugrunde liegende Basispulsation wird ohnehin im eigenen Überwachungsfrequenzband 12 überwacht.

[0028] Entsprechend Fig. 2 kann die Überwachung des Pulsationspegels PL bzw. des Pulsationspegel-Zeit-Signals PLZS bei der Erfindung auch dadurch erfolgen, dass zumindest eine andere Auslösebedingung eine spezielle Auslösestrategie aufweist. Diese Auslösestrategie arbeitet mit einem Auslösezähler AZ und mit einem Rückstellzähler RZ. In Fig. 2 sind nun drei Diagramme zusammengefasst, von denen das obere den zeitlichen Verlauf des Pulsationspegels PL wiedergibt, während das mittlere den zeitlichen Verlauf des Auslösezählers AZ zeigt, und das untere den zeitlichen Verlauf des Rückstellzählers RZ wiedergibt. Dementsprechend zeigt das obere Diagramm das Pulsationspegel-Zeit-Signal PLZS, während die unteren Diagramme ein Auslösezähler-Signal AZS bzw. ein Rückstellzähler-Signal RZS wiedergeben.

[0029] In das obere Diagramm ist außerdem ein Pegelgrenzwert PL_limit eingetragen. Dieser Pegelgrenzwert PL_limit kann kleiner sein als das Pulsationspegelmaximum PL_max aus dem Diagramm 14 gemäß Fig. 1. Während das Überschreiten bzw. das Erreichen des Pulsationspegelmaximums PL_max sofort die Schutzaktion 16 auslöst, führt das Erreichen bzw. Übersteigen des Pegelgrenzwerts PL_limit gemäß der im folgenden beschriebenen Auslösestrategie nicht sofort zum Auslösen der Schutzaktion 16. Dabei ist es grundsätzlich möglich, dass beide Auslösebedingungen nebeneinander bestehen.

[0030] Der Auslösezähler AZ zählt die Zeit, während welcher der Pulsationspegel PL oberhalb des Pegelgrenzwerts PH_limit liegt. Dabei summiert der Auslösezähler AZ diese Zeit immer auf einen vorausgehenden Zählerstand auf. Sobald der Auslösezähler AZ einen vorbestimmten Auslösezählerstand AZ_limit erreicht, tritt die Auslösebedingung auf. In der Regel wird dazu ein Auslösesignal (Flag) gesetzt, und die jeweilige Schutzaktion 16 wird gestartet.

[0031] Im Unterschied dazu zählt der Rückstellzähler RZ die Zeit, während der der Pulsationspegel PL unterhalb bzw. nicht oberhalb des Pegelgrenzwerts PL_limit liegt. Im Unterschied zum Auslösezähler AZ summiert der Rückstellzähler RZ jeweils auf einen auf Null gestellten Zählerstand auf. Sobald jedoch der Rückstellzähler RZ einen vorbestimmten Rückstellzählerstand RZ_limit erreicht, wird der Zählerstand des Auslösezählers AZ auf Null gestellt.

[0032] Diese Auslösestrategie wird im folgenden nochmals anhand des in Fig. 2 gezeigten Beispiels näher erläutert:

[0033] Zum Zeitpunkt t₀ beginnt die Überwachung. Der Pulsationspegel PL ist unterhalb des Pegelgrenzwerts PL_limit. In der Folge zählt der Rückstellzähler RZ beginnend vom Wert Null und summiert die Zeit auf. Zum Zeitpunkt t₁ übersteigt der Pulsationspegel PL den Pegelgrenzwert PL_limit. In der Folge beginnt der Auslösezähler AZ die Zeit zu zählen. Da zu Beginn der Auslösezählerstand im Beispiel den Wert Null aufweist, beginnt der Auslösezähler zum Zeitpunkt t₁ bei Null aufzusummieren. Zum Zeitpunkt t₂ fällt der Pulsationspegel PL wieder unter den Pegelgrenzwert PL_limit. In der Folge zählt der Auslösezähler AZ nicht weiter, während der Rückstellzähler RZ erneut von Null mit seiner Zeitzählung beginnt. Zum Zeitpunkt t₃ übersteigt der Pulsationspegel PL wieder den Pegelgrenzwert PH_limit; der Auslösezähler AZ zählt weiter, wobei er auf den vorangehenden Zählerstand aufsummiert. Zum Zeitpunkt t₄ sinkt der Pulsationspegel PL wieder unter den Pegelgrenzwert PL_limit, so dass der Auslösezähler AZ nicht weiterzählt und der Rückstellzähler RZ wieder bei Null mit seiner Zeitzählung beginnt.

[0034] Zum Zeitpunkt t₅ übersteigt der Pulsationspegel PL wieder den Pegelgrenzwert PL_limit, so dass der Auslösezähler AZ wieder auf den vorigen Zählerstand aufsummiert. Zum Zeitpunkt t₆ erreicht der Zählerstand des Auslösezählers AZ den Auslösezählerstand AZ_limit. Folglich liegt die Auslösebedingung vor und die Schutzaktion 16 wird gestartet. Beispielsweise wird ein Alarm ausgegeben oder für die Dauer der Schutzaktion 16 die Brennstoffzuführung zur Brennkammer 3 verändert. Im mittleren Diagramm ist außerdem der Status der Schutzaktion 16 eingetragen, wobei hier vereinfacht nur zwischen einem Aus-Zustand und einem Ein-Zustand unterschieden wird. Der Verlauf des Schutzaktionsstatus ist dabei in Fig. 2 mit SAZ bezeichnet. Zum Zeitpunkt t₆ wird somit vom Aus-Zustand in den Ein-Zustand umgeschaltet.

[0035] Durch die Schutzaktion 16 sinkt der Pulsationspegel PL wieder und unterschreitet zum Zeitpunkt t₇ den Pegelgrenzwert PL_limit. In der Folge beginnt der Rückstellzähler RZ wieder von Null an, die Zeit aufzusummieren. Zum Zeitpunkt t₈ erreicht der Rückstellzähler RZ einen mit RZ_SAZ bezeichneten Zählerstand. Bei diesem Zählerstand RZ_SAZ wird zum einen der Schutzaktionsstatus geändert, das heisst, vom Ein-Zustand auf den Aus-Zustand umgeschaltet. Zum anderen wird gleichzeitig der Auslösezähler AZ auf Null zurückgestellt.

[0036] Zum Zeitpunkt t₉ erreicht der Rückstellzähler RZ zwar den Rückstellzählerstand RZ_limit, der an sich den Zählerstand des Auslösezählers AZ auf Null zurückstellt, dies ist jedoch im vorliegenden Fall bereits geschehen, da zuvor eine Schutzaktion 16 ausgelöst und beendet wurde. Dementsprechend ist hier der zugehörige Zählerstand RZ_SAZ kleiner gewählt als der Rückstellzählerstand RZ_limit.

[0037] Zum Zeitpunkt t₁₀ überschreitet der Pulsationspegel PL erneut den Pegelgrenzwert PL_limit, so dass der Auslösezähler AZ erneut beginnt, die Zeit zu zählen. Dabei startet der Auslösezähler AZ diesmal aufgrund der zuvor erfolgten Rückstellung von dem Wert Null.

[0038] Zum Zeitpunkt t₁₁ sinkt der Pulsationspegel PL wieder unter den Pegelgrenzwert PH_limit. Somit zählt der Auslösezähler AZ nicht weiter, während der Rückstellzähler RZ von neuem bei Null beginnt zu zählen. Zum Zeitpunkt t₁₂ erreicht der Rückstellzähler RZ seinen Rückstellzählerstand RZ_limit, was eine Rückstellung des Zählerstands des Auslösezählers AZ auf den Wert Null auslöst. Zum Zeitpunkt t₁₃ beginnt somit der Auslösezähler AZ wieder bei Null, wenn der Pulsationpegel PL den Pegelgrenzwert PL_limit überschreitet. Zum Zeitpunkt t₁₄ sinkt der Pulsationspegel PL wieder unter den Pegelgrenzwert PL_limit. Während der Zählerstand des Auslösezählers AZ gehalten wird, beginnt der Rückstellzähler RZ wieder von Null zu zählen. Zum Zeitpunkt t₁₅ erreicht der Rückstellzähler RZ seinen Rückstellzählerstand RZ_limit, was ein Rücksetzen des Auslösezählers AZ bewirkt. Gleichzeitig erreicht der Pulsationspegel PL zu diesem Zeitpunkt t₁₅ wieder seinen Pegelgrenzwert PL_limit, was sofort ein Zählen des Auslösezählers AZ auslöst. Zum Zeitpunkt t₁₆ sinkt der Pulsationspegel PL wieder unter den Pegelgrenzwert PL_limit. Der aufsummierte Zählerstand des Auslösezählers AZ wird gehalten, während der Rückstellzähler RZ erneut von Null an beginnt, die Zeit zu zählen.

[0039] Entsprechend Fig. 3 kann ein Steuerungssystem 17 der Gasturbine 1 eine Pulsationsmesseinrichtung 18, eine Pulsationsauswerteeinrichtung 19 sowie eine Steuereinrichtung 20 aufweisen. Des weiteren können auch eine Kontrolleinrichtung 21 sowie gegebenenfalls ein Anzeige- und/oder Diagnosesystem 22 vorgesehen sein.

[0040] Die Pulsationsmesseinrichtung 18 umfasst eine Sensorik 5 und den Signalverstärker 6 und kann darüber hinaus über eine galvanische Trenneinrichtung 23 verfügen. Die Pulsationsmesseinrichtung 18 dient somit zum Messen der Druckpulsationen P an der Gasturbine 1, insbesondere in deren Brennkammer 3. Des weiteren generiert die Pulsationsmesseinrichtung 18 das Pulsations-Zeit-Signal PZS.

[0041] Die Pulsationsauswerteeinrichtung 19 umfasst beispielsweise ein Tiefpassfilter 24, einen analogen Eingang 25, einen analogen Ausgang 26, sowie einen digitalen Eingang 27 und einen digitalen Ausgang 28. Die Ein- und Ausgänge 25 bis 28 sind dabei in einen Rechner 29 eingebunden, der eine Echtzeitverarbeitung des Pulsations-Zeit-Signals PZS ermöglicht. Somit kann die Pulsationsauswerteeinrichtung 19 das Pulsations-Zeit-Signal PZS in das Pulsations-Frequenz-Signal PFS transformieren, aus dem Pulsations-Frequenz-Signal PFS für wenigstens ein vorbestimmtes Überwachungsfrequenzband 12 den Pulsationspegel PL ermitteln, diesen Pulsationspegel PL im Hinblick auf das Auftreten wenigstens einer vorbestimmten Auslösebedingung überwachen und beim Auftreten dieser wenigstens einen Auslösebedingung ein Auslösesignal generieren. Die Übertragung des Pulsations-Zeit-Signal PZS zwischen der Pulsationsmesseinrichtung 18 und der Pulsationsauswerteeinrichtung 19 kann dabei durch eine galvanisch entkoppelte Verbindung 30 erfolgen, das heisst, ohne direkten elektrischen Kontakt. Beispielsweise erfolgt die Signalübertragung optisch oder über einen Transformator. Die galvanische Entkopplung wird hier durch die galvanische Trenneinrichtung 23 erreicht.

[0042] Die Steuereinrichtung 20 steuert zum einen den normalen Betrieb der Gasturbine 1 und ermöglicht durch ihre Einbindung in das Steuerungssystem 17 die Durchführung vorbestimmter Schutzaktionen, sofern das jeweilige Auslösesignal vorliegt. Dieses Auslösesignal erhält die Steuereinrichtung 20 von der Pulsationsauswerteeinrichtung 19, insbesondere von deren Rechner 29. Die Steuereinrichtung 20 kann aber auch die Pulsationspegel PL der Überwachungsbänder über den analogen Ausgang 26 erhalten und selbst die Evaluierung des Auslösesignals gemäß Fig. 2 durchführen.

[0043] Die Kontrolleinrichtung 21 kann über eine Netzwerkverbindung 31 und über einen Netzwerkcontroller 32 mit dem Rechner 29 der Pulsationsauswerteeinrichtung 19 kommunizieren. Die Kontrolleinrichtung 21 kann beispielsweise die Pulsationsüberwachung, die mit Hilfe der Pulsationsauswerteeinrichtung 19 durchgeführt wird, konfigurieren, visualisieren und/oder speichern. Des weiteren ist die Kontrolleinrichtung 21 hier mit dem Anzeige- und/oder Diagnosesystem 22 gekoppelt, zum Beispiel über Internet 33, was beispielsweise eine Auswertung des Langzeitbetriebs der Gasturbine 1 ermöglicht. Insbesondere kann diese Auswertung für mehrere verschiedene Gasturbinen 1, die global verteilt sein können, zentral erfolgen.

Bezugszeichenliste

[0044] 

1

Gasturbine

2

Verdichter

3

Brennkammer

4

Turbine

5

Sensorik

6

Verstärker

7

Diagramm

8

Diagramm

9

Fouriertransformator

10

Diagramm

11

RMS-Gleichrichter

12

Überwachungsfrequenzband

13

Diagramm

14

Diagramm

15

Schnittpunkt

16

Schutzaktion

17

Steuerungssystem

18

Pulsationsmesseinrichtung

19

Pulsationsauswerteeinrichtung

20

Steuereinrichtung

21

Kontrolleinrichtung

22

Anzeige- und/oder Diagnosesystem

23

galvanischer Separator

24

Tiefpassfilter

25

Analogeingang

26

Analogausgang

27

Digitaleingang

28

Digitalausgang

29

Rechner

30

galvanisch entkoppelte Verbindung

31

Netzwerkverbindung

32

Netzwerkcontroller

33

Internet

P

Pulsation

Z

Zeit

PZS

Pulsations-Zeit-Signal

F

Frequenz

PFS

Pulsations-Frequenz-Signal

PL

Pulsationspegel

PL_max

Pulsationsmaximalwert

PLZS

Pulsationspegel-Zeit-Signal

PL_limit

Pegelgrenzwert

AZ

Auslösezähler

AZ_limit

Auslösezäherstand

AZS

Auslösezähler-Zeit-Signal

RZ

Rückstellzähler

RZ_limit

Rückstellzählerstand

RZS

Rückstellzähler-Zeit-Signal

SAZ

Schutzaktionszustand

RZ_SAZ

bestimmter Zählerstand des Rückstellzählers

t₀- t₁₆

bestimmte Zeitpunkte

Ansprüche

1. Verfahren zum Schützen einer Gasturbine (1) vor Beschädigungen durch Druckpulsationen (P),

- bei dem im Betrieb der Gasturbine (1) auftretende Druckpulsationen (P) gemessen werden,

- bei dem aus den gemessenen Druckpulsationen (P) ein Pulsations-Zeit-Signal (PZS) generiert wird,

- bei dem das Pulsations-Zeit-Signal (PZS) in ein Pulsations-Frequenz-Signal (PFS) transformiert wird,

- bei dem aus dem Pulsations-Frequenz-Signal (PFS) für wenigstens ein vorbestimmtes Überwachungsfrequenzband (12) ein Pulsationspegel (PL) ermittelt wird,

- bei dem der Pulsationspegel (PL) im Hinblick auf das Auftreten wenigstens einer vorbestimmten Auslösebedingung überwacht wird,

- bei dem beim Auftreten der wenigstens einen Auslösebedingung eine vorbestimmte Schutzaktion (16) durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Pulsationspegel (PL) durch Summenbildung oder Integration und/oder durch Mittelwertbildung der Pulsationswerte (P) im jeweiligen Überwachungsfrequenzband (12) ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Pulsationspegel (PL) durch den maximalen Pulsationswert (P) im jeweiligen Überwachungsfrequenzband (12) gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Überwachungsfrequenzband (12) bei einer Frequenzverschiebung des maximalen Pulsationswerts (P) dem maximalen Pulsationswert (P) nachgeführt wird, so dass der maximale Pulsationswert (P) innerhalb des Überwachungsfrequenzbands (12) verbleibt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das jeweilige Überwachungsfrequenzband (12) so bestimmt ist, dass genau eine vorbekannte kritische Pulsation (P) bei ihrem Auftreten mit ihrer Pulsationsfrequenz in diesem Überwachungsfrequenzband (12) liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass aus dem Pulsationspegel (PL) ein Pulsationspegel-Zeit-Signal (PLZS) generiert wird, das im Hinblick auf die wenigstens eine Auslösebedingung überwacht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Pulsationspegel-Zeit-Signal (PLZS) durch Mittelwertbildung aufbereitet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Transformation vom Pulsations-Zeit-Signal (PZS) in das Pulsations-Frequenz-Signal (PFS) mittels einer numerisch-mathematischen Transformation, insbesondere mittels einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) oder mittels einer Diskrete-Fourier-Transformation (DFT), durchgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,

- dass beim Auftreten einer Pulsation (P) überprüft wird, ob es sich bei dieser Pulsation (P) um eine Harmonische einer Pulsation (P) aus einem tieferen Frequenzbereich handelt,

- bei dem der zugehörige Pulsationspegel (PL) nur dann überwacht wird, wenn es sich bei der zugehörigen Pulsation (P) nicht um eine solche Harmonische handelt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Auftreten der wenigstens einen Auslösebedingung für jedes Überwachungsfrequenzband (12) separat überwacht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,

- dass die wenigstens eine Auslösebedingung eine Auslösestrategie aufweist, die mit einem Auslösezähler (AZ) und mit einem Rückstellzähler (RZ) arbeitet,

- dass der Auslösezähler (AZ) die Zeit (t), während der der jeweilige Pulsationspegel (PL) oberhalb eines vorbestimmten Pegelgrenzwerts (PL_limit) liegt, auf den jeweils vorausgehenden Zählerstand aufsummiert,

- dass die Auslösebedingung auftritt und die vorbestimmte Schutzaktion (16) gestartet wird, sobald der Auslösezähler (AZ) einen vorbestimmten Auslösezählerstand (AZ_limit) erreicht,

- dass der Rückstellzähler (RZ) die Zeit (t), während der der jeweilige Pulsationspegel (PL) nicht oberhalb des Pegelgrenzwerts (PL_limit) liegt, jeweils auf einen auf Null gestellten Zählerstand aufsummiert,

- dass der Zählerstand des Auslösezählers (AZ) auf Null gestellt wird, sobald der Rückstellzähler (RZ) einen vorbestimmten Rückstellzählerstand (RZ_limit) erreicht.

12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schutzaktion (16) beendet wird und der Zählerstand des Auslösezählers (AZ) auf Null gestellt wird, wenn der Rückstellzähler (RZ) während der Schutzaktion (16) einen vorbestimmten Zählerstand (RZ_SAZ) erreicht.

13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass der besagte vorbestimmte Zählerstand (RZ_SAZ) kleiner ist als der Rückstellzählerstand (RZ_limit).

14. Steuerungssystem für eine Gasturbine (1),

- mit einer Pulsationsmesseinrichtung (18), die mittels einer geeigneten Sensorik (5) die im Betrieb der Gasturbine (1) auftretenden Druckpulsationen (P) misst und ein damit korreliertes Pulsations-Zeit-Signal (PZS) generiert,

- mit einer Pulsationsauswerteeinrichtung (19), die das Pulsations-Zeit-Signal (PZS) in ein Pulsations-Frequenz-Signal (PFS) transformiert, aus dem Pulsations-Frequenz-Signal (PFS) für wenigstens ein vorbestimmtes Überwachungsfrequenzband (12) einen Pulsationspegel (PL) ermittelt, diesen im Hinblick auf das Auftreten wenigstens einer vorbestimmten Auslösebedingung überwacht und beim Auftreten der wenigstens einen Auslösebedingung ein Auslösesignal generiert,

- mit einer Steuereinrichtung (20), die bei vorliegendem Auslösesignal eine vorbestimmte Schutzaktion (16) durchführt.

15. Steuerungssystem nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Übertragung des Pulsations-Zeit-Signals (PZS) zwischen der Pulsationsmesseinrichtung (18) und der Pulsationsauswerteeinrichtung (19) eine galvanisch entkoppelte Verbindung (30) angeordnet ist.

16. Steuerungssystem nach Anspruch 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Kontrolleinrichtung (21) vorgesehen ist, die über eine Netzwerkverbindung (31) an die Pulsationsauswerteeinrichtung (19) angeschlossen ist und die eine Konfiguration der Pulsationsauswerteeinrichtung (19) ermöglicht und/oder die Pulsationsüberwachung visualisiert und/oder speichert.

17. Steuerungssystem nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kontrolleinrichtung (21) an ein Anzeige- und/oder Diagnosesystem (22) angeschlossen ist, das zur Auswertung des Langzeitbetriebs der Gasturbine (1) dient.

Zeichnung