(57)【要約】      （修正有）【課題】振動検出器及び視覚的検出による異常を監視するシステムの不都合を回避する、圧縮機運転を監視するシステム及び方法を提供する。【解決手段】圧縮機に接続された音響エネルギー検出器２４と通信するコントローラとを含む。音響エネルギー検出器は、圧縮機により生じた音響エネルギーを反映した音響エネルギー信号４４をコントローラに送信する。圧縮機に接続されたセンサは、圧縮機の動作パラメータを測定し、パラメータ信号をコントローラに送信する。圧縮機の異常を監視する方法は、圧縮機によって生じた音響エネルギーを検知することと、音響エネルギーを反映した音響エネルギー信号をコントローラに送信することとを含む。更に、圧縮機の動作パラメータを検知することと、この動作パラメータを反映したパラメータ信号をコントローラに送信することと、音響エネルギー信号及び動作パラメータ信号に基づいて出力信号を送信することとを含む。【選択図】図２
2011220333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（１２）の異常を監視するシステム（１０）であって、
前記圧縮機（１２）に接続された音響エネルギー検出器（２４）と、
前記音響エネルギー検出器（２４）と通信するコントローラ（１４）であって、該コントローラ（１４）には、前記音響エネルギー検出器（２４）が、前記圧縮機（１２）によって生じた音響エネルギーを反映した音響エネルギー信号（４４）を送信する、コントローラ（１４）と、
前記圧縮機（１２）に接続された少なくとも１つのセンサ（２２）であって、該少なくとも１つのセンサ（２２）が、前記圧縮機（１２）の動作パラメータを測定し、該動作パラメータを反映したパラメータ信号（６０）を前記コントローラ（１４）に送信する、センサ（２２）と、を含むシステム（１０）。
【請求項２】
前記音響エネルギー検出器（２４）が、所定の閾値を有するフィルタ（４０）を含み、該フィルタ（４０）は、前記所定の閾値に基づいて前記音響エネルギー信号（４４）を修正する、請求項１に記載の圧縮機（１２）の異常を監視するシステム（１０）。
【請求項３】
前記コントローラ（１４）にデータ信号（６２）を送信する入力装置（５４）を更に含み、該データ信号（６２）は、前記圧縮機（１２）に関する情報を反映している、請求項１に記載の圧縮機（１２）の異常を監視するシステム（１０）。
【請求項４】
前記圧縮機（１２）に接続された複数のセンサ（２２）を更に含み、該複数のセンサ（２２）は、前記圧縮機（１２）の複数の動作パラメータを測定し、該複数の動作パラメータを反映したパラメータ信号（６０）を前記コントローラ（１４）に送信する、請求項１に記載の圧縮機（１２）の異常を監視するシステム（１０）。
【請求項５】
前記コントローラ（１４）と通信する出力装置（６４）を更に含む、請求項１に記載の圧縮機（１２）の異常を監視するシステム（１０）。
【請求項６】
前記コントローラ（１４）は、前記音響エネルギー信号（４４）及び前記パラメータ信号（６０）に基づいた出力信号（１６）を前記出力装置（６４）に送信する、請求項５に記載の圧縮機（１２）の異常を監視するシステム（１０）。
【請求項７】
圧縮機（１２）の異常を監視する方法であって、
前記圧縮機（１２）によって生じた音響エネルギーを検知するステップと、
前記音響エネルギーを反映した音響エネルギー信号（４４）をコントローラ（１４）に送信するステップと、
前記圧縮機（１２）の少なくとも１つの動作パラメータを検知するステップと、
前記動作パラメータを反映したパラメータ信号（６０）を前記コントローラ（１４）に送信するステップと、
前記音響エネルギー信号（４４）及び前記動作パラメータ信号（６０）に基づいて出力信号（１６）を送信するステップと、を含む方法。
【請求項８】
所定の閾値に基づいて前記音響エネルギー信号（４４）をフィルタリングするステップを更に含む、請求項７に記載の圧縮機（１２）の異常を監視する方法。
【請求項９】
前記コントローラ（１４）にデータ信号（６２）を送信するステップを更に含み、該データ信号（６２）は、前記圧縮機（１２）に関する情報を反映している、請求項７に記載の圧縮機（１２）の異常を監視する方法。
【請求項１０】
前記圧縮機（１２）の複数の動作パラメータを検知するステップと、該複数の動作パラメータを反映したパラメータ信号（６０）を前記コントローラ（１４）に送信するステップとを更に含む、請求項７に記載の圧縮機（１２）の異常を監視する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、圧縮機の健全性を監視するシステム及び方法に関する。特に、本発明は、圧縮機を監視するために、音響エネルギーセンサを統計的に有意な動作情報と結合し、圧縮機の異常によって生じる応力波又はその他の音響エネルギーを検出し、及び／又は圧縮器の健全性を反映した情報を提供するシステムを提示する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機は、工業及び商業活動において、幅広く使用されている。例えば、典型的なガスタービンは、前方に軸流圧縮機を、中央部周辺に１つ以上の燃焼器を、そして後方にタービンを含む。圧縮機は、複数段の動翼及び静翼を収容する圧縮機ケーシングを含む。周囲空気が圧縮機に進入すると、動翼及び静翼が漸次、運動エネルギーを作動流体（空気）に与え、エネルギーの高い状態にする。作動流体は、圧縮機を出ると、燃焼器に流入し、燃料と混合され、高温、高圧、及び高速の燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは、燃焼器を出ると、タービンに流入し、膨張して仕事を生成する。
【０００３】
動作時、内部圧縮機部品は、腐食、浸食、及び作動流体内に取り込まれた異物の破片による摩耗に曝され続ける。高サイクル疲労により、クラックの形成、並びに、静翼の腐食又はロータと静止部品との間の擦れ又は摩擦の増加のようなその他の異常が、内部圧縮機部品に生じることがある。一旦クラック及びその他の異常が形成されてしまうと、こうした異常は、内部圧縮機部品が動作時に崩壊又は故障することで、人又は機器に重篤な損傷が生じ、損傷した部品を修理又は交換するには長い停止時間を要するというリスクを増大させながら広がっていく。
【０００４】
従来のシステム及び方法は、圧縮機の動作及び運転を監視するべく存在する。例えば、振動センサを使用して、動作時の圧縮機からの振動を監視する。現在の振動の周波数又は振幅の変化で、過剰な摩耗及び／又はクラックの形成がわかる。しかし、振動センサが検出するのは、圧縮機内の不均衡及び振動を生じさせるだけの大きさのクラック及びその他の異常にすぎない。結果として、振動センサでは、圧縮機内で検出可能な振動を生じさせない小さなクラックを検出することができない。
【０００５】
圧縮機の動作及び運転の監視には、目視検査も用いる。例えば、圧縮機内で個々の位置を目視検査するには、圧縮機を停止し、ケーシングを取り外すことがある。しかし、目視検査は、時間がかかり、視線の届く部品に限ったものである上、圧縮機を停止する必要があり、視認できるだけの大きさの既存のクラックしか検出することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７４８９８１１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、振動検出器及び視覚的検出に関連する幾つか又は全ての不都合を回避する、圧縮機の動作及び運転を監視する、改良されたシステム及び方法を備えることが望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の態様及び利点は、以下の記述で説明されるか、当該記述から明らかであるか、或いは本発明の実施を通じて会得されよう。
【０００９】
本発明の一実施例は、圧縮機の異常を監視するシステムである。このシステムは、圧縮機に接続された音響エネルギー検出器と、音響エネルギー検出器と通信するコントローラとを含む。音響エネルギー検出器は、圧縮機によって生じる音響エネルギーを反映した音響エネルギー信号をコントローラに送信する。このシステムは更に、圧縮機に接続された少なくとも１つのセンサを含み、この少なくとも１つのセンサは、圧縮機の動作パラメータを測定し、この動作パラメータを反映したパラメータ信号をコントローラに送信する。
【００１０】
本発明の別の実施例は、圧縮機の異常を監視するシステムである。このシステムは、圧縮機に接続された音響エネルギー検出器を含み、この音響エネルギー検出器は、増幅器に接続されたセンサを含む。このシステムは更に、音響エネルギー検出器と通信するコントローラを含み、音響エネルギー検出器は、圧縮機によって生じる音響エネルギーを反映した音響エネルギー信号を、このコントローラに送信する。圧縮機に接続された少なくとも１つのセンサは、圧縮機の動作パラメータを測定し、この動作パラメータを反映したパラメータ信号をコントローラに送信する。
【００１１】
本発明はまた、圧縮機の異常を監視する方法も包含する。この方法は、圧縮機によって生じる音響エネルギーを検知するステップと、この音響エネルギーを反映した音響エネルギー信号をコントローラに送信するステップとを含む。この方法は更に、圧縮機の少なくとも１つの動作パラメータを検知するステップと、この動作パラメータを反映したパラメータ信号をコントローラに送信するステップと、この音響エネルギー信号及び動作パラメータ信号に基づいて出力信号を送信するステップとを含む。
【００１２】
本明細書の検討により、当業者はかかる実施例の特徴及び態様を更に理解できよう。
【００１３】
本明細書の残る部分では、本発明の最適な形態を含めた、本発明の最大限の記述並びに当業者が本発明を実施するための最適な態様を、添付図面の参照を含めて更に具体的に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施例による、圧縮機を監視するシステムを示す図である。
【図２】本発明の一実施例による、音響エネルギー検出器の簡略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
これより、本発明の実施例を詳細に参照するが、その１つ以上の例が添付図面に示されている。詳細な説明では、図面中の特徴を参照するにあたり、数字及び文字の符号を使用する。図面中及び説明において類似又は同様の符号は、本発明の類似又は同様の部分を示すべく使用されている。
【００１６】
各例は、本発明を限定する目的ではなく、本発明を説明する目的で提示されている。実際、本発明の特許請求の範囲から逸脱することなく、本発明に修正及び改変を加え得ることは、当業者に明らかである。例えば、一実施例の一部として図示又は説明される特徴を、別の実施例に適用して、更に別の実施例を得ることができる。したがって、かかる修正及び改変も、添付の特許請求の範囲に含まれるものとして、及びその等価物として、本発明に含まれることを意図している。
【００１７】
図１は、本発明の一実施例による、圧縮機１２（図２に示す）を監視するシステム１０を示す。システム１０は通常、様々なソースからの統計的に有意な情報を結合して、圧縮機１２の動作状態を判定し、出力信号１６を生成する、コントローラ１４を含む。コントローラ１４は、データを格納し、ソフトウェア命令を格納し、及び／又はソフトウェア命令を実行する、マイクロプロセッサ１８、コプロセッサ、及び／又はメモリ／メディアエレメント２０のような、様々な構成要素を含む。様々なメモリ／メディアエレメント２０は、これらに限定されないが、揮発性メモリ（例えばＲＡＭ、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ等）、不揮発性メモリ（例えばフラッシュドライブ、ハードドライブ、磁気テープ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ等）、及び／又はその他のメモリ装置（例えばディスケット、磁気ベースの記憶媒体、光記憶媒体等）の任意の組合せのような、１つ以上の様々なコンピュータ可読媒体であってもよい。データ記憶装置及びプロセッサ構成のいずれの可能な変形例も、当業者には明らかであろう。
【００１８】
統計的に有意な情報は、例えば、圧縮機１２に接続されたセンサ２２からのリアルタイム情報、圧縮機１２の動作、修理、及び／又はメンテナンスに関する履歴情報、及び／又は類似の圧縮機の動作、修理、及び／又はメンテナンスに関する履歴情報を含む。出力信号１６は、例えば、早急な対応を必要とする警報状態、提示又は修正された検査インターバル、提示又は修正された修理又はメンテナンスのスケジュール、及び／又はクラック長さの情報を示す。
【００１９】
図１に示すように、コントローラ１４は、音響エネルギー検出器２４から情報を受け取る。音響エネルギー検出器２４は、クラックの開始及び／又は伝播の時に生じる圧力過渡波又は衝撃波を検知するための、１つ以上の市販の音響放射センサ又は回路を含み得る。例えば、図２に示すように、音響エネルギー検出器２４は通常、１つ以上の音響放射センサ２６及び信号コンディショナ及びジェネレータ２８を含む。ワセリン、潤滑剤、又は同様の粘性流体のような適当な結合剤３０を使用して、センサ２６を圧縮機ケーシング等の圧縮機１２の表面３２に接続することで、圧縮機部品からセンサ２６に音響エネルギーが伝達し易くなる。センサ２６は、圧力過渡波又は衝撃波を電気信号３６に変換する、磁歪材料又は圧電変換器を含み得る。信号コンディショナ及びジェネレータ２８は、前置増幅器３８、フィルタ４０、及び増幅器４２を含み、圧縮機１２によって生じる音響エネルギーを反映した音響エネルギー信号４４を生成する。前置増幅器３８は、センサ２６が生じる電気信号３６を強め、フィルタ４０は、電気信号３６からノイズを除去して、フィルタリング済み信号４６を増幅器４２に受け渡し、更に増幅させる。
【００２０】
音響エネルギー波又は衝撃波は、例えば、クラックの開始及び／又は伝播、静翼の腐食、又はロータと静止部品との間の擦れのような、圧縮機内の異常によって発生する。衝撃波は、漸減する振幅を有するその後の二次波とほぼ等しい規模の、１つ以上のピーク波を有することを特徴とする。センサ２６からの電気信号３６は、ピーク波及び／又は二次波の数、持続時間、周波数、時間、及び／又は規模のような、衝撃波に関する情報を反映し得る。フィルタ４０が所定の閾値を有することで、所定の閾値以下のバックグラウンドノイズを電気信号２６から除去することにより、電気信号２６を修正できる。フィルタ４０はその後、フィルタリング済み信号４６を増幅器４２に受け渡す。特定の実施例において、フィルタ４０は、センサ２６が生じる電気信号３６から特定の周波数のノイズをスクリーニングするように調整又は調節された、周波数バンドパスフィルタを含む。これに加えて、又はその代わりに、フィルタ４０には、複数のセンサ２６からの電気信号３６どうしを結合して、コントローラ１４に送信される音響エネルギー信号の鮮明度を高める、一般的にビニングとよばれる処理を採用してもよい。
【００２１】
図１に戻って、コントローラ１４は、音響エネルギー信号４４を、１つ以上のパラメータセンサ２２及び／又は入力装置５４からの情報と組み合わせる。パラメータセンサ２２は、圧縮機１２、又は圧縮機１２と連動する燃焼器５６又はタービン５８のような関連機器の動作パラメータの、リアルタイム又は準リアルタイム測定を行う。一般的に測定される圧縮機１２の動作パラメータは、例えば、圧縮機吐出温度、圧縮機圧力比、入口ガイドベーンの角度、軸受温度、軸受振動、ロータ振動等を含む。一般的に測定される関連機器の動作パラメータは、例えば、ガスタービン負荷、燃料ストローク基準、タービン速度、タービン排気温度等を含む。各パラメータセンサ２２は、動作パラメータを反映したパラメータ信号６０を、コントローラ１４に送信し、更なる処理が行われる。
【００２２】
入力装置５４は、ユーザがシステム１０と通信できる、ユーザとシステム１０との間のインターフェースを提供するいかなる構造をも含み得る。例えば、入力装置は、キーボード、コンピュータ、端末、テープドライブ、及び／又は、ユーザからの入力を受け付けてシステム１０へのデータ信号６２を生成する、その他任意の装置を含み得る。
【００２３】
データ信号６２は、コントローラ１４で使用するためにデータベースに格納されている、圧縮機１２及び関連機器５６、５８に関するいずれの利用可能な情報をも含み得る。例えば、データ信号６２には、統計的及び履歴的に有意な動作、修理、及び／又はメンテナンス情報を含む、同様の圧縮機及び関連機器に関して収集されたフリート情報を含む。データ信号６２は、過去の動作レベルの日付及び持続時間、過去の動作時の具体的な機器構成、終了したメンテナンス項目、実証試験の結果のような、特定の圧縮機１２及び関連機器５６、５８に関する履歴情報も含み得る。データ信号６２には、予想される動作レベル、機器構成、予定されているメンテナンス、圧縮機の故障リスク、及び個々の構成要素の予測寿命のような、フリートモデルに基づく圧縮機１２及び関連機器５６、５８の予測又は予想されるイベントも含み得る。データ信号６２には、ユーザがコントローラ１４に行いたいと思うプログラムの修正も含み得る。例えば、クラックの開始及び／又は伝播、擦れ事象、及びその他の圧縮機の異常の予測に使用するフリートモデルの変更を示唆する実証的データが利用できるようになる。その結果、ユーザは、所定の閾値、検査及び／又はメンテナンス間隔、又はコントローラ１４にプログラムされたその他のパラメータを変更したいと思うかもしれないが、その場合、ユーザは、入力装置５４によって生成されたデータ信号６２を介して、変更後のプログラムをコントローラ１４に送ることができる。
【００２４】
パラメータセンサ２２及び入力装置５４から、パラメータ信号６０及びデータ信号６２を、有線又は無線通信ネットワークを通じて、１つ以上のデータ記憶装置２０にそれぞれ送信できる。各データ記憶装置２０は、例えばハードドライブ、光ディスク、又は磁気テープのような、コンピュータメモリ記憶装置であってもよい。データ記憶装置２０は、図１に示すように、コントローラ１４に組み込まれたシステム及び／又はコントローラ１４固有のオンサイト監視システムの一部であってもよいが、コントローラ１４から離れて設置されていても、更には圧縮機１２から離れて、オフサイトに設置されていてもよい。
【００２５】
動作時、コントローラ１４は、センサ及び情報融合技術を利用して、圧縮機１２の動作状態を判定できる。具体的には、コントローラ１４が、音響エネルギー信号４４、１つ以上のパラメータ信号６０、及びデータ信号６２を介してユーザが提供した何らかの付加的情報を受信する。コントローラ１４は、このような情報の全てを結合してフィルタリングすることで、圧縮機１２の動作及びメンテナンスに関する結論及び示唆を得る。例えば、コントローラ１４は、音響エネルギー信号４４に含まれる特定の周波数及び／又は振幅のみに基づいて、圧縮機１２におけるクラックの開始及び／又は伝播事象を特定できる。コントローラ１４は、音響エネルギー信号４４の時間遅延、周波数、規模、又はその他の任意の特性に基づいて、圧縮機１２に疑われるクラックの正確な位置を、更にピンポイントで特定できる。
【００２６】
しかし、音響エネルギー信号４４の有益な情報が、定常動作条件又は散発性だが再発性の事象によるノイズによって不鮮明になり、これによって、圧縮機１２におけるクラック又は異常の発生又は伝播を確実に特定するためのコントローラ１４の能力が限定されることも、しばしばである。音響エネルギー信号４４の信号対ノイズ比を改善するにあたり、音響エネルギー信号４４、パラメータ信号６０、及び／又はデータ信号６２に、周知の数学的手法を適用するように、コントローラ１４をプログラミングできる。例えば、音響エネルギー信号４４、パラメータ信号６０、及び／又はデータ信号６２の間の時系列関係を特定できるように、例えばウェーブレットフィルタ、時間高速フーリエ変換（ＦＦＴ）、カオス時系列、周波数復調動作、相関積分、ベイズ統計等を含むように、コントローラ１４をプログラミングできる。コントローラ１４はその後、メモリ記憶装置２０、或いは、例えば特定のクラックの大きさ又は位置を、予想される成長率及び極限的な部品故障に関連付けるルックアップテーブルから、実証的データを読み出すことができる。コントローラ１４はその後、時系列関係を実証的データと融合して、静翼のクラッキング、圧縮機の摩擦、ケーシングのクラッキング、動翼の過剰な摩耗等、これから起こる事象を特定又は予測できる。音響放射事象及び異常を識別するにあたり、管制下にある手法又は管制下にはない手法等、付加的な識別法で、コントローラを補完できる。
【００２７】
図１に示すように、コントローラ１４は、圧縮機１２の動作状態を反映した出力信号１６を生成する。例えば、圧縮機１２の動作状態が、早急な対応を必要とする突発的な又は壊滅的な事象が発生したことを示す場合、状況を打開するための迅速な行動をオペレータが確実に行えるように、出力信号１６は、アラーム回路６４を駆動させ、安全回路を起動するか、又は、この２つの組合せをトリガする。一方、圧縮機１２の動作状態が将来の事象の前兆を示す場合、出力信号１６は、メッセージ、イベントレコード６６、又は圧縮機１２のメンテナンス及び／又は停止スケジュールの調整に使用する、その他の項目を生成できる。いずれの場合も、出力信号１６は、例えば圧縮機１２の最大動作レベルの制限、入口ガイドベーンの位置の制限、圧縮機圧力比の制限のような、圧縮機１２を保護するその他の保護特性を発動させることもできる。
【００２８】
図１に示した前述のシステム１０を用いて、圧縮機１２の動作及び／又は圧縮機１２における異常を監視する方法を提供できる。具体的には、音響エネルギー検出器２４で、圧縮機１２におけるクラックの開始及び／又は伝播、擦れ等によって生じる音響エネルギー又は衝撃波の放出を検知できる。音響エネルギー検出器２４は、衝撃波の振幅及び／又は周波数のような、衝撃波の様々な特性を計測し、音響エネルギーを反映した音響エネルギー信号４４をコントローラ１４に送信できる。このシステムには、圧縮機１２の少なくとも１つの動作パラメータを検知し、この動作パラメータを反映したパラメータ信号６０をコントローラ１４に送信する、１つ以上のパラメータセンサ２２を更に含めることができる。コントローラ１４は、収集された信号４４、６０を融合させ、音響エネルギー信号４４及び動作パラメータ信号６０に基づいて出力信号１６を送信する。
【００２９】
更なる実施例では、圧縮機１２の動作又は圧縮機１２の異常を監視する方法に、所定の閾値に基づいて音響エネルギー信号４４をフィルタリングするステップと、圧縮機１２及び関連機器５６、５８の動作モードに基づいて更にフィルタリングを行うステップとを、含めることができる。これらの動作モードは、パラメータ信号６０及び／又はデータ信号６２に含まれる圧縮機及びガスタービンの動作パラメータを用いて計算される。更に別の実施例では、圧縮機１２に関する情報を反映したデータ信号６２を、入力装置５４からコントローラ１４に送信するステップを含めることができる。
【００３０】
本明細書では、最適の態様を含めた例を使用して本発明を開示しているが、これによって、当業者には、あらゆる装置又はシステムの作製及び使用、或いはあらゆる付随の方法の実施を含めた本発明の実施が可能である。本発明の特許請求の範囲は請求項に明示されており、特許請求の範囲には当業者に想到可能なその他の例も含まれる。このようなその他の例は、請求項の文言と相違ない構成要素を含む場合、又は、請求項の文言と実質的に変わらない等価の構成要素を含む場合、特許請求の範囲に含まれることを意図している。
【符号の説明】
【００３１】
１０  システム
１２  圧縮機
１４  コントローラ
１６  出力信号
１８  マイクロプロセッサ
２０  メモリ
２２  センサ
２４  音響エネルギー検出器
２６  音響放射センサ
２８  信号コンディショナ及びジェネレータ
３０  結合剤
３２  圧縮機ケーシング
３６  電気信号
３８  前置増幅器
４０  フィルタ
４２  増幅器
４４  音響エネルギー信号
４６  フィルタリング済み信号
５４  入力装置
５６  燃焼器
５８  タービン
６０  パラメータ信号
６２  データ信号
６４  アラーム回路
６６  イベントレコード
【図１】
2011220333.tif 000003
【図２】
2011220333.tif 000004
【外国語明細書】
2011220333000001.pdf