Brevet FR2934019A1 — publié le 20100122

B09-2094FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Système et procédé de détection de décrochage et de pompage Invention de : KROK Michael Joseph BOLTON John Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 18 juillet sous le n° 12/175.889 Système et procédé de détection de décrochage et de pompage Le sujet de la présente description porte globalement sur la surveillance de l'état d'organes mécaniques rotatifs, et plus particulièrement sur la détection du décrochage et du pompage dans un compresseur de turbine. Dans les turbines à gaz servant à la production d'électricité, on laisse ordinairement fonctionner des compresseurs à de hauts rapports de pression afin d'atteindre de meilleurs rendements. Pendant le fonctionnement d'une turbine à gaz peut survenir un phénomène appelé décrochage de compresseur durant lequel, quand le rapport de pression du compresseur de la turbine dépasse une valeur critique à une vitesse donnée, le rapport de pression du compresseur diminue et le flux d'air fourni à la chambre de compression du moteur diminue également et, dans certaines circonstances, peut inverser son sens d'écoulement. Les décrochages de compresseurs ont de nombreuses causes. Dans un premier exemple, le moteur est amené à accélérer trop rapidement. Dans un autre exemple, le profil d'entrée de la pression ou de la température de l'air subit une déformation excessive pendant un fonctionnement normal du moteur. Un endommagement du compresseur dû à l'ingestion de corps étrangers ou à un mauvais fonctionnement d'une partie du système de commande de moteur peut aussi provoquer un décrochage du compresseur et une dégradation ultérieure du compresseur. Si un décrochage de compresseur reste non détecté et à la possibilité de perdurer, les températures dans la chambre de combustion et les contraintes de vibrations induites dans le compresseur risquent de devenir suffisamment élevées pour occasionner des dommages dans la turbine. Une solution pour la détection du décrochage d'un compresseur consiste à surveiller l'état d'un compresseur en mesurant l'augmentation du débit et de la pression de l'air passant dans le compresseur. Les variations de pression peuvent être imputées à un certain nombre de causes telles que, par exemple, une combustion instable, un décrochage tournant et des phénomènes de pompage sur le compresseur lui-même. Pour déterminer ces variations de pression, l'ampleur et le rythme de changement de l'augmentation de pression dans le compresseur peuvent être contrôlés. Cependant, cette solution n'offre pas de possibilités de prévision de décrochage tournant ou de pompage et ne réussit pas à offrir des informations à un système de commande en temps réel avec un temps d'avance suffisant pour faire face par anticipation à de tels phénomènes. En bref, il est proposé un procédé pour surveiller un compresseur comprenant un rotor. Le procédé comprend l'obtention d'un signal de pression dynamique du rotor, l'obtention d'une fréquence de passage d'aubes du rotor, l'utilisation du signal de fréquence de passage d'aubes pour filtrer le signal de pression dynamique, la mise en mémoire tampon du signal de pression dynamique filtré au cours d'un intervalle de temps changeant, et l'analyse du signal de pression dynamique mis en mémoire tampon afin de prédire un état de décrochage du compresseur. Le procédé comprend en outre, après le filtrage du signal de pression dynamique et avant la mise en mémoire tampon du signal de pression dynamique filtré, le décalage du signal de pression dynamique filtré vers une fréquence inférieure. L'obtention de la fréquence de passage d'aubes comprend l'obtention d'un signal de vitesse mécanique du rotor et la suppression du bruit à haute fréquence dans le signal de vitesse mécanique. La suppression du bruit à haute fréquence comprend le filtrage du signal de vitesse mécanique à l'aide d'un filtre passe-bas d'ordre 2. L'analyse du signal de pression dynamique mis en mémoire tampon comprend en outre le calcul d'une transformée de Fourier rapide sur le signal de pression dynamique mis en mémoire tampon. Dans une autre forme de réalisation, il est proposé un système pour surveiller un compresseur comprenant un rotor. Le système comprend un capteur de pression conçu pour obtenir un signal de pression dynamique du rotor, un capteur de vitesse conçu pour obtenir un signal de vitesse de rotor, un dispositif de commande conçu pour utiliser le signal de vitesse de rotor afin de filtrer le signal de pression dynamique, mettre en mémoire tampon le signal de pression dynamique filtré au cours d'un intervalle de temps changeant et analyser le signal de pression dynamique mis en mémoire tampon afin de prédire un état de décrochage du compresseur. Le dispositif de commande est conçu pour obtenir une fréquence de passage d'aubes à partir du signal de vitesse de rotor et utiliser la fréquence de passage d'aubes afin de filtrer le signal de pression dynamique. Le dispositif de commande comprend en outre un filtre, le filtre étant constitué par au moins un filtre passe-bas d'ordre 2 ou un filtre passe-bande de Chebychev ou un filtre passe-haut à basse fréquence d'ordre 1. Le dispositif de commande est en outre conçu pour décaler vers un domaine de fréquence plus basse le signal de pression dynamique mis en mémoire tampon. Le système comprend en outre un comparateur couplé au support de stockage et conçu pour comparer avec une valeur prédéterminée la transformée de Fourier rapide calculée. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe d'un compresseur à capteurs selon un aspect de l'invention ; - la figure 2 représente un schéma de principe d'un système de surveillance et de commande de compresseur selon une forme de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est un schéma de principe illustrant la surveillance et la commande de l'état d'un compresseur selon une forme de réalisation décrite ici ; et - la figure 4 est une représentation de transformée de Fourier rapide sur un grand laps de temps. Comme exposé en détail plus loin, des formes de réalisation de l'invention comprennent un système de turbine à gaz ayant un compresseur et un système pour surveiller le compresseur. Dans un exemple de forme de réalisation de l'invention, une turbine industrielle à gaz fait partie d'une installation à cycle combiné qui comprend également, par exemple, une turbine à vapeur et un générateur pour produire de l'électricité à partie de la combustion de gaz naturel ou d'un autre combustible. La turbine industrielle à gaz peut être employée dans un système à cycle combiné ou un système à cycle simple. Cependant, quel que soit le cycle du système, il est souhaitable de chercher à faire fonctionner la turbine industrielle à gaz à son rendement maximal afin de produire beaucoup d'électricité à un coût relativement bas. Normalement, dans un système de turbine industrielle à grand rendement, il faut faire intervenir un compresseur afin de produire un rapport de pression de cycle qui corresponde à une haute température d'allumage. Cependant, le compresseur peut subir des instabilités aérodynamiques telles que, par exemple, un état de décrochage et/ou de pompage, car le compresseur sert à produire la haute température d'allumage ou le haut rapport de pression du cycle. On peut noter que le compresseur subissant ce décrochage et/ou pompage risque de provoquer des problèmes qui affectent les organes et le rendement de la turbine industrielle à gaz. Normalement, pour maintenir la stabilité, il est souhaitable d'engager la turbine industrielle à gaz en deçà des limites de fonctionnement du rapport de pression du cycle. La figure 1 représente une vue en coupe d'un compresseur dans lequel des capteurs sont installés en divers endroits dans le compresseur afin de détecter des paramètres du compresseur. Comme illustré, le système de compresseur 10 comprend un rotor 12 et un stator 14. Par ailleurs, le repère 16 désigne le sens d'écoulement dans lequel des fluides de travail sont progressivement comprimés entre 16 et 18. Ordinairement, de tels compresseurs utilisent une compression à plusieurs étages dans laquelle le stator 14 peut être conçu pour élaborer et/ou rediriger le flux depuis le rotor 12 jusqu'à un rotor ultérieur ou jusqu'au plénum. Dans une forme de réalisation de l'invention, la disposition de capteurs en 20 convient mieux pour détecter les paramètres de compresseur qui indiquent un état de décrochage et/ou de pompage. Cependant, on peut noter que des capteurs sont placés en divers endroits tel que, par exemple, 22 et 24, pour détecter les paramètres. Les capteurs peuvent comprendre, par exemple, des capteurs de vitesse conçus pour détecter la vitesse de rotation et des capteurs de pression conçus pour détecter la pression d'une manière dynamique. La figure 2 est une représentation schématique d'un système de surveillance et de commande de compresseur mis en oeuvre dans le système de compresseur 10 de la figure 1. Le système de surveillance et de commande 30 de compresseur comprend un dispositif de commande. Dans un exemple de forme de réalisation, le dispositif de commande comprend un filtre 32, un support de stockage 40, un processeur 42 de signal, un comparateur 44, une table de conversion 46 et un indicateur de décrochage 48. Le système comprend des capteurs pour obtenir un signal 36 de pression dynamique et obtenir une fréquence de passage d'aubes à partir du signal 34 de vitesse de rotor et pour utiliser la fréquence de passage d'aubes pour filtrer le signal 36 de pression dynamique. Le filtre 32 est couplé à des capteurs (non représentés). Correspondant aux paramètres du compresseur, les capteurs produisent des signaux tels que le signal 34 de vitesse de rotor et le signal 36 de pression dynamique. Dans une forme de réalisation de l'invention, le filtre 32 est conçu pour filtrer les paramètres détectés du compresseur tels que le signal 34 de vitesse de rotor et le signal 36 de pression dynamique. En outre, le filtre est conçu pour retirer, des paramètres détectés, des éléments indésirables comme par exemple le bruit à haute fréquence. Selon une forme de réalisation envisagée de l'invention, le filtre comporte de multiples configurations tels que des filtres passe-bas d'ordre 2, passe-haut à basse fréquence d'ordre 1 et passe-bande de Chebychev d'ordre 6. Un spécialiste de la technique comprendra que de tels filtres ont des paramètres de conception, tels que des fréquences passe-bande et de coupure, convenablement réglés en fonction de paramètres d'entrée et d'un rendement voulu. La mise en mémoire tampon (ou le stockage) de données filtrées au cours d'un laps de temps s'effectue sur un échantillon de rythme pendant un intervalle changeant. Dans un exemple, l'intervalle changeant survient sur une durée d'au moins quatre secondes. Le support de stockage 40 est conçu pour stocker les données filtrées et/ou les données mises en mémoire tampon. Le dispositif de commande est par ailleurs conçu, dans une forme de réalisation, pour décaler vers un domaine de fréquence inférieure le signal de pression dynamique mis en mémoire tampon. Le processeur 42 de signal est couplé au support de stockage 40 et est conçu pour calculer une transformée de Fourier rapide des données mises en mémoire tampon. Le comparateur 44 est couplé au processeur 42 de signal et est conçu pour comparer les données de transformée de Fourier rapide calculées avec une valeur de ligne de base prédéterminée. La valeur de ligne de base prédéterminée est stockée dans un e table de conversion 46 couplée au comparateur. On notera que la valeur de ligne de base prédéterminée est calculée par l'intermédiaire de mesures de vraisemblance de décrochage et de constantes. Le système 30 comprend en outre un indicateur de décrochage 48 couplé au comparateur 44 et conçu pour produire d'après la comparaison un signal 50 d'indication de décrochage. Le signal 50 d'indication de décrochage est couplé au compresseur pour une action correctrice en cas de vraisemblance de décrochage. La figure 3 est un schéma de principe plus détaillé illustrant diverses étapes de surveillance et de commande d'état de compresseur selon des formes de réalisation de l'invention. Dans un exemple de forme de réalisation, le système de surveillance 56 de compresseur comprend un filtre passe-bas 58 conçu pour recevoir le signal 34 de vitesse de rotor provenant de capteurs couplés au compresseur (non représenté sur la figure 3). Le filtre passe-bas est conçu, dans une forme de réalisation plus spécifique, pour filtrer le signal de vitesse de rotor à l'aide d'un filtre passe-bas d'ordre 2. Ordinairement, la fréquence de coupure est d'environ 0,1 Hz. Cependant, la fréquence de coupure dépend de la topologie de commande de vitesse. Un convertisseur de vitesse en fréquence 60 est couplé au filtre passe-bas pour convertir le signal de vitesse de rotor filtré en fréquence 62 de passage d'aubes. On peut noter que la fréquence de passage d'aube est un produit de la vitesse mécanique et du nombre d'aubes du rotor. Dans une forme de réalisation de l'invention actuellement envisagée, le paramètre de compresseur tel que la pression est surveillé d'une manière dynamique. Le signal 36 de pression dynamique est filtré à l'aide d'un filtre passe-bas de basse fréquence d'ordre 1 afin de supprimer la polarisation à basse fréquence et peut en outre être filtré à l'aide d'un filtre passe-bande de Chebychev avec une référence aux deux filtres par un élément filtrant 66 à atténuation hors de la bande passante d'environ 40 dB afin d'obtenir un signal de pression dynamique filtré 68. Comme le comprendra un spécialiste de la technique, la bande passante doit avoir une marge de quelques centaines de hertz à factoriser dans les variations du paramètre surveillé. En outre, la cadence d'échantillonnage de la mesure du signal de pression dynamique est ordinairement de l'ordre d'au moins 2 ou 3 fois la fréquence de la bande passante. Si la vitesse mécanique reste constante, les constantes du filtre passe-bande peuvent rester constantes. Cependant, si la position de fréquence de passage d'aubes change, il est utile d'actualiser les constantes du filtre passe-bande pour rendre compte de la nouvelle position de la fréquence de passage d'aubes. Un convertisseur de valeur efficace 70 calcule la valeur efficace du signal de pression dynamique 36. Ensuite, la fréquence 62 de passage d'aubes et le signal de pression dynamique filtré 68 sont combinés dans un multiplicateur 72 et sont fournis comme entrée à un filtre passe-bas 74. Le signal filtré obtenu 75 et la valeur efficace du signal de pression dynamique 70 sont fournis à un processeur 76 de signal conçu pour normaliser le signal filtré 75. Dans une forme de réalisation du processus de normalisation, le gain de normalisation, qui multiplie le signal filtré, est un inverse du signal 70 de valeur efficace de pression dynamique multiplié par 2,3. Dans un exemple de forme de réalisation, le bloc 60 est conçu pour calculer un cosinus de la fréquence de bande passante moins une fréquence qui représente la nouvelle fréquence centrale de la mesure du signal de pression dynamique en régime de basse fréquence. La différence 62 est en outre multipliée, dans le multiplicateur 72, par le signal de pression dynamique filtré 68. Le produit 73 qui en résulte est filtré à l'aide d'un filtre passe-bas de Chebychev d'ordre 6 (ce qui signifie un ordre 6 ou plus) afin d'obtenir un signal de pression dynamique décalé 77 qui représente une transformation en basse fréquence du signal de pression dynamique d'origine, à haute fréquence après la normalisation dans 76. Dans une forme de réalisation, la bande passante du filtre passe-bande de Chebychev est égale au double de la nouvelle fréquence centrale de la mesure du signal de pression dynamique à décalage de fréquence (afin de réduire le bruit associé au décalage de fréquence). Un collecteur 78 de données met en mémoire tampon, pour faciliter la suite de l'analyse, le signal 77 de pression dynamique à régime de basse fréquence. Un support de stockage peut être conçu pour stocker le signal de pression dynamique mis en mémoire tampon. Une puce de mémoire peut constituer un exemple de support de stockage. Ces données en mémoire tampon (obtenues par sous-échantillonnage du signal de pression dynamique à régime de basse fréquence décalé) représentent une durée appropriée d'un signal de pression dynamique à contenu en fréquence centré autour de la fréquence de passage d'aubes. Dans une forme de réalisation, la durée est d'un quart de seconde à huit secondes. Dans une autre forme de réalisation, la durée est de l'ordre de quatre secondes. Un processeur 80 de signal calcule une transformée de Fourier rapide des données sous-échantillonnées mises en mémoire tampon, stockées dans le collecteur 78 de données. La fréquence de passage d'aubes est séparée du signal transformé 81 par filtrage dans le bloc de filtrage 84. La puissance associée à un intervalle de fréquence d'environ � 15 Hz autour de la fréquence de passage d'aubes est réglée à zéro dans le bloc 86 de puissance de source et est en outre multipliée par le signal transformé 81. Le calculateur 88 de puissance calcule une valeur moyenne de puissance et calcule en outre une valeur efficace de la valeur moyenne de puissance. Cette puissance moyenne représente normalement une mesure de décrochage 90 autour de la fréquence de passage d'aubes. Dans un exemple de forme de réalisation, cette mesure de décrochage 90 indique une vraisemblance de décrochage non pondérée. La vraisemblance de décrochage non pondérée 90 et la pondération 94 d'une valve de guidage d'entrée sont multipliées en 92. Les mesures 87 de la valve de guidage d'entrée sont utilisées lors du calcul de la pondération 94 de la valve de guidage d'entrée. Dans une forme de réalisation, une table de conversion 97 contient la vraisemblance de décrochage et la mesure du décrochage. La vraisemblance de décrochage 96 est obtenue à l'aide de la table de conversion 97. Comme le comprendront les spécialistes de la technique, une valeur prédéterminée de vraisemblance de décrochage est calculée par de multiples mesures. Cette table de conversion contient des constantes de calcul appliquées aux mesures indiquant des contraintes autour desquelles est construite la table de conversion. Dans une première forme de réalisation de l'invention, une vraisemblance de décrochage pondérée 99 est obtenue à l'aide d'un facteur de pondération tel que la pondération 94 de la valve de guidage d'entrée et la vraisemblance de décrochage non pondérée 90. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, le calcul de la mesure de vraisemblance de décrochage pondérée comprend la consultation d'une table de conversion ayant comme facteur de pondération une marge résiduelle de décrochage 98 qui est multipliée par la vraisemblance de décrochage 96. On peut noter que la marge résiduelle de décrochage 98 peut être obtenue à l'aide du rapport de pression 85 du compresseur. L'indicateur de décrochage 48 est conçu pour calculer le signal 50 d'indication de décrochage d'après la vraisemblance de décrochage pondérée 99. Le signal d'indication de décrochage est en outre couplé au compresseur. A partir du signal 50 d'indication de décrochage, une action correctrice peut être exécutée sur le compresseur pour empêcher tout état de décrochage et/ou de pompage susceptible de survenir. La figure 4 est une représentation graphique d'une transformée de Fourier rapide à long terme 100, ayant la fréquence sur l'axe horizontal 102 et la puissance sur l'axe vertical 104. La transformée de Fourier 100 comporte divers pics de puissance tels que 106, 108 et 110, comme illustré. Cette transformée de Fourier rapide à long terme est obtenue après que le processeur 80 de signal a traité sur une longue durée les données mises en mémoire tampon, comme mentionné sur la figure 3. En outre, le pic de puissance 106 représentatif d'une fréquence de passage d'aubes peut être filtré dans le bloc 84, comme mentionné sur la figure 3. Sur environ � 100 Hz autour de la fréquence de passage d'aubes, certains pics de puissance tels que 108 et 110 peuvent être enregistrés. Ces pics de puissance (108 et 110) indiquent normalement des conditions qui s'écartent des conditions de fonctionnement normales et peuvent indiquer un état de décrochement et/ou de purge potentiel. Le calculateur de puissance 88 mentionné sur la figure 3 est conçu pour détecter et calculer des écarts de pics de puissance. Avantageusement, les analyses par transformée de Fourier rapide à long terme de paramètres de compresseur atténuent les inconvénients de l'analyse selon la technique antérieure. En outre, l'analyse par transformée de Fourier aide à détecter avec précision les perturbations anormales de la pression et limite donc fortement les faux pompages de pression grâce au recours au facteur de pondération et à la marge résiduelle de décrochage lors de l'analyse. De plus, les avantages présentés plus haut contribuent à prédire avec précision la survenance de conditions de décrochage et/ou de pompage avant le décrochage et/ou le pompage du compresseur et protègent le compresseur contre des dommages en commandant d'une manière adéquate les paramètres de fonctionnement d'après la prédiction. LISTE DES REPERES 10 Système de compresseur 12 Rotor 14 Stator 16 Sens d'écoulement 18 Sens d'écoulement 20 Emplacement de capteur 22 Emplacement de capteur 24 Emplacement de capteur 30 Système de surveillance et de commande de compresseur 32 Filtre 34 Signal de vitesse de rotor 36 Signal de pression dynamique 40 Stockage 42 Processeur de signal 44 Comparateur 46 Table de conversion 48 Indicateur de décrochage 50 Signal d'indication de décrochage 56 Système de surveillance de compresseur 58 Filtre passe-bas 60 Convertisseur de vitesse en fréquence 62 Fréquence de passage d'aubes 66 Filtre 68 Signal de pression dynamique filtré 70 Convertisseur de valeur efficace 72 Multiplicateur 73 Entrée 74 Filtre passe-bas 75 Signal filtré 76 Processeur de signal 77 Signal de pression dynamique décalé 78 Collecteur de données 80 Processeur de signal 81 Signal transformé 84 Filtre 85 Rapport de pression du compresseur 86 Puissance de source 87 Mesures de la valve de guidage d'entrée 88 Calculateur de puissance 90 Mesure de décrochage (vraisemblance de décrochage non pondérée) 92 Multiplicateur 94 Pondération de la valve de guidage d'entrée 96 Vraisemblance de décrochage 97 Table de conversion 98 Marge résiduelle de décrochage 99 Vraisemblance de décrochage pondérée 100 Transformée de Fourier rapide à long terme 102 Fréquence 104 Puissance 106 Pic de puissance 108 Pic de puissance 110 Pic de puissance REVENDICATIONS1. Procédé pour surveiller un compresseur comprenant un rotor, le procédé comprenant : (a) l'obtention d'un signal de pression dynamique du rotor ; (b) l'obtention d'une fréquence de passage d'aubes du rotor ; (c) l'utilisation du signal de fréquence de passage d'aubes pour filtrer le signal de pression dynamique ; (d) la mise en mémoire tampon du signal de pression dynamique filtré au cours d'un intervalle de temps changeant ; et (e) l'analyse du signal de pression dynamique mis en mémoire tampon pour prédire un état de décrochage du compresseur. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre, après le filtrage du signal de pression dynamique et avant la mise en mémoire tampon du signal de pression dynamique filtré, le décalage du signal de pression dynamique filtré à une fréquence inférieure. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'obtention de la fréquence de passage d'aubes comprend l'obtention d'un signal de vitesse mécanique du rotor et la suppression du bruit à haute fréquence dans le signal de vitesse mécanique. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la suppression du bruit à haute fréquence comprend le filtrage du signal de vitesse mécanique à l'aide d'un filtre passe-bas d'ordre 2. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'analyse du signal de pression dynamique mis en mémoire tampon comprend en outre le calcul d'une transformée de Fourier rapide sur le signal de pression dynamique mis en mémoire tampon. 6. Système pour surveiller un compresseur comprenant un rotor, le système comprenant : (a) un capteur de pression conçu pour obtenir un signal de pression dynamique (36) du rotor ; (b) un capteur de vitesse conçu pour obtenir un signal de vitesse (34) du rotor ; et(c) un dispositif de commande conçu pour utiliser le signal de vitesse de rotor pour filtrer le signal de pression dynamique, mettre en mémoire tampon le signal de pression dynamique filtré au cours d'un intervalle de temps changeant et l'analyse du signal de pression dynamique mis en mémoire tampon afin de prédire un état de décrochage du compresseur. 7. Système selon la revendication 6, dans lequel le dispositif de commande est conçu pour obtenir une fréquence de passage d'aubes à partir du signal de vitesse de rotor et utiliser la fréquence de passage d'aubes afin de filtrer le signal de pression dynamique. 8. Système selon la revendication 7, dans lequel le dispositif de commande comprend en outre un filtre (32), le filtre (32) étant constitué par au moins un filtre passe-bas d'ordre 2 ou un filtre passe-bande de Chebychev ou un filtre passe-haut à basse fréquence d'ordre 1. 9. Système selon la revendication 6, dans lequel le dispositif de commande est en outre conçu pour décaler vers un domaine de fréquence plus basse le signal de pression dynamique mis en mémoire tampon. 10. Système selon la revendication 9, comprenant en outre un comparateur (44) couplé au support de stockage et conçu pour comparer avec une valeur prédéterminée la transformée de Fourier rapide calculée.