(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
未修正のままに放置した場合、ガスタービンの誤動作を引き起こす可能性があるガスタービン状態の始まりを検出する方法において、
ガスタービンの圧縮機の動作パラメータを示すデータを受信すること（例えば、４２）と、
ウェーブレット変換を前記データに対して実行してウェーブレット変換データを生成すること（例えば、４４）と、
前記ウェーブレット変換データを生成すること（例えば、４８、５０）と、
前記ウェーブレット変換データの中の特徴であって、前記ガスタービン状態の始まりを示す特徴を識別することと、
ガスタービンの圧縮機の動作パラメータを示す追加データを受信することと、
前記ウェーブレット変換データを追加データと混合して、混合データを作成することと、
前記混合データに対して前記ウェーブレット変換を実行して、前記混合データに基づいてウェーブレット変換データを生成することとを含み、
前記ウェーブレット変換は、前記ウェーブレット変換により生成されるウェーブレット係数の集合のうちの少なくとも一部のウェーブレット係数を切り捨てることを含む方法。
【請求項２】
前記切捨ては、相対的に大きい絶対値を有する係数と比較したときに相対的に小さい絶対値を有する係数を排除することを含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ウェーブレット変換データはウェーブレット分解データ及びウェーブレット再構成データより成る群から選択される請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記ウェーブレット変換は、前記ウェーブレット変換の各レベルでウェーブレット近似係数及びウェーブレット詳細係数より成る群のうちの唯１つを使用することを含む請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
データに対して前記ウェーブレット変換を実行することは、
データをそれぞれのデータセグメントに分割することと、
前記それぞれのデータセグメントに対して前記ウェーブレット変換を順次実行することとを更に含む請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般にガスタービンの制御に関し、特に、最適化ウェーブレット変換を使用して信号中の回転失速の前兆を検出する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの圧縮機を相対的に高い圧力比で動作させることにより、ガスタービンの動作効率を改善できることは知られている。しかし、タービンの動作中に圧力比がある臨界値を超えると、圧縮機失速として知られる望ましくない状態が起こることがある。圧縮機失速は圧縮機の圧力比を低下させ、燃焼器へ送り出される気流を減少させるため、ガスタービンの効率に悪影響を及ぼす。軸流型圧縮機における回転失速は、通常、圧縮機の所望のピーク性能動作ポイントで起こる。回転失速に続いて、圧縮機は効率の損失につながるサージ状態又は極度失速状態へ移行し、その状態が長引けば、ガスタービンの危機的な障害を引き起こす可能性がある。
【０００３】
通常、ガスタービンは、圧縮機における最大実現可能圧力上昇に基づいて所望のピーク性能を超える所望のサージ性能マージンを与えるように制御される。圧縮機失速を防止するためにガスタービンを制御する１つの方法は、圧縮機を通過する空気の流量及び圧力上昇などの圧縮機動作パラメータを測定して、失速状態が起こる可能性があることを示す失速の「前兆」を検出することである。圧縮機の動作パラメータを示す信号を解析することにより失速の前兆を検出するために、カルマンフィルタリング及び高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理などの信号処理技法が提案されてきた。失速の前兆が検出された場合、失速が起こるのを防止するようにガスタービンの動作が制御されればよい。しかし、そのような制御技法は、通常、初期失速の状態の予測に基づいており、失速状態の発生前に、失速状態が起こるのを防止するのに十分な長い期間をかけて失速状態を予測することは実行されていない。
【特許文献１】特開２００２−１３１１２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
未修正のままに放置された場合、ガスタービンの誤動作を引き起こす可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
ガスタービン状態の始まりを検出する方法は、ここでは、ガスタービンの圧縮機の動作パラメータを示すデータを受信することを含むものとして説明される。方法は、ウェーブレット変換データを生成するために、データに対してウェーブレット変換を実行することを更に含む。ウェーブレット変換は、前記変換の性能に関わる処理特性に影響を及ぼすように構成されている。方法は、ウェーブレット変換データを生成することと、次に、ガスタービン状態の始まりを示すウェーブレット変換データの特徴を識別することとを更に含む。
【０００６】
ガスタービンにおける動作状態の始まりを検出するシステムは、ここでは、ガスタービンの圧縮機の動作パラメータを示すデータを提供するセンサと、センサに結合されたプロセッサとを含むものとして説明される。プロセッサは、ウェーブレット変換データを生成するために、データに対してウェーブレット変換を実行するように構成された第１の処理モジュールを含み、そのウェーブレット変換は、前記変換の性能に関わる処理特性に影響を及ぼすように構成されている。プロセッサは、ガスタービン状態の始まりを示すウェーブレット変換データの特徴を識別する第２の処理モジュールを更に含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
状況によっては、計算の効率又は保守のしやすさを考慮して、当業者は図示されているフローチャートのブロックの順序を入れ替えてもよい。本発明は図面に示される本発明の実施例の詳細に関連して説明されるが、それらの詳細は本発明の範囲を制限することを意図されていない。
【０００８】
ガスタービン圧縮機の圧力データを解析して、失速の前兆を検出し、圧縮機初期失速状態を予測するために、ウェーブレット変換が使用されてもよい。失速を予測するために、ハール（Haar）変換などの相対的に単純なウェーブレット変換が使用されてもよいが、本発明の発明者は、Haar変換は離散的マイヤー（Meyer）（Dmey）変換などの、計算に関してより複雑なウェーブレット変換と比較して「偽」失速前兆を示す場合が多いことを実験により示した。しかし、Haarウェーブレット変換と比較して失速予測性能が改善されているとはいえ、Dmey変換は失速状態を制御するのに十分な時間で失速状態を予測することは不可能である。Dmey変換は計算に関してより複雑であるため、単純なHaar変換より実行に長い時間を要する。その結果、失速の前兆を検出するためにDmey変換を実行するのに要する時間は失速の前兆が発生してから失速状態が始まるまでの時間を越えてしまうこともある。発明者は、変換を実行するための計算負荷を低減するために相対的に複雑なウェーブレット変換を最適化することにより、失速の予測が早くなるか、又は偽予測が減少するなどの圧縮機失速予測の改善を実現できるという革新的な事実を認めた。
【０００９】
図１は、本発明のいくつかの面を具現化した圧縮機の失速及びサージを検出するためのガスタービン制御システム１０の一例のブロック線図を示す。一般に、システム１０はガスタービン２４内部で動作する圧縮機１２と、ウェーブレット信号プロセッサ１４と、コントローラ１６とを含む。ガス圧力、圧縮機を通過して流れるガスの流速、力又は振動などの圧縮機動作パラメータを測定するために、１つのセンサ１８又は一連のセンサが圧縮機１２に配置されている。本発明の１つの面においては、センサ１８により生成される圧力測定値２０はデジタル化され、デジタルデータのブロックの形態でウェーブレット信号プロセッサ１４に提供される。圧縮機１２のブレードがセンサ１８を通過する際の圧力振動を測定するために、ガス圧力変換器などのセンサ１８は、圧縮機ケーシング内における圧縮機１２の所望の段に配置されればよい。新規な特徴として、ウェーブレット信号プロセッサ１４は、センサ１８から受信される測定データに対して最適化ウェーブレット変換を実行して、データ中の失速の前兆を識別するように構成されている。更に、ウェーブレット信号プロセッサ１４は、圧縮機１２における初期失速状態を示す失速測定信号２２を発生する。失速測定信号２２はコントローラ１６に供給され、それにより、コントローラ１６は起こりつつある失速状態又はサージ状態を防止するために適切な制御指令２６をガスタービン２４へ送信することができる。
【００１０】
先に説明した通り、相対的に複雑なウェーブレット変換（単純なHaar変換ではなく、Dmey変換など）を使用することにより、失速予測の改善を実現できるであろうが、複雑な変換を実行するのに要する時間は適切な時点で初期失速を制御することを可能とするには長すぎる。従って、発明者は、変換及びそれに関連する信号処理を実行するために要求される時間を短縮するためにウェーブレット変換を最適化し、それにより従来の非最適化ウェーブレット変換方法を使用する場合より短い時間で、相対的に複雑なウェーブレット変換により得られる、より早期の予測という利点を実現できることを認めた。処理速度特性を低下させるか、又は計算複雑度特性を低下させるなど、変換の性能に関わる処理特性に影響を及ぼすようにウェーブレット変換を最適化できる。
【００１１】
ウェーブレット変換プロセスの最適化は、ウェーブレット係数を「切り捨てる」こと、ウェーブレット変換プロセスの様々なレベル（Level）で選択的分解／再構成を使用すること、時間の上で、ウェーブレット変換プロセスのコンポーネントタスクを逐次分割すること、ウェーブレット領域で（係数を時間領域に再構成して戻すのではなく）分解係数を使用すること、受信されたデータのブロックのそれぞれのデータセグメントに対してウェーブレット計算を順次実行すること、及びウェーブレット処理されたデータを新たに受信されたデータと混合することなどの革新的な技法を含むことができる。
【００１２】
本発明の一実施例において、発明者は、高い絶対値を有する係数より相対的に低い絶対値を有するウェーブレット変換係数を切り捨てるか、又は排除することにより、データ中の失速の前兆を識別するという変換の能力を犠牲にせずにウェーブレット変換プロセスをスピードアップできることを実験により実証した。前兆を識別するウェーブレット変換の能力を高めることが殆どなく、相対的に絶対値の低い係数を排除し、これにより集中的な計算が必要な係数の畳み込みを最適化ウェーブレット変換プロセスから排除できる。従って、分解及び再構成の各レベルで要求される計算時間が短縮される。例えば、圧縮機圧力測定信号に対して実行されるDmeyウェーブレット変換は、生成される６２個１組のウェーブレット係数の中から７個の最も大きい絶対値を有するウェーブレット係数を使用するように切り捨てできることは、本発明の発明者により実証されている。従って、絶対値の小さい５５個の係数を排除することにより、そのような最適化ウェーブレット変換を実行するのに必要な計算時間を短縮できる。そのような切捨て変換は、適切な時点で失速の前兆を検出する能力を保持することが示されている。上記の係数の数は単なる一例を表しており、本発明を制限するとみなされてはならないことは明らかである。
【００１３】
本発明の別の面では、ウェーブレット変換の各レベルで１組の係数のみを選択することにより、ウェーブレット変換を最適化できる。例えば、分解及び再構成の各レベルで、それ以降の処理のために、近似係数、すなわち、低周波数ウェーブレット係数の組、又は詳細係数、すなわち、高周波数ウェーブレット係数の組のいずれか１つの係数の組を選択できる。
【００１４】
図２は、分解及び再構成の各レベルで詳細係数又は近似係数を選択することを示す最適化ウェーブレット変換の一例のブロック線図３０である。圧縮機圧力測定信号は、例えば、５１２Ｈｚでダウンサンプリングされ、入力として最適化ウェーブレット変換に提供される。レベル１分解ブロック３２で、近似係数３４（低周波数成分を表現する）がそれ以降の処理のために選択される。分解レベル２及び３では、各レベルで近似係数が選択される。レベル４では、詳細係数３６において所望の周波数ウィンドウが隔離される。例えば、所望の周波数ウィンドウは、前兆情報を含むことがわかっているガスタービンのいくつかのモデルの圧縮機からの圧力信号における１つの周波数である約２７Ｈｚに選択されてもよい。所定のアプリケーションの必要条件に応じて、周波数ウィンドウは他の周波数で選択されてもよいことは明らかである。分解波形は、次に、再構成ブロックレベル４から始めて、入力として分解レベル４からの詳細係数３６を使用し、近似再構成係数３８を０の値で充填することにより再構成される。レベル３からレベル１までの残る再構成レベルに関しては、近似再構成係数が使用され、対応する詳細再構成係数は０で充填される。その結果、最適化ウェーブレット変換を使用して失速周波数を合成するための計算時間は、各レベルで２つの係数群を共に処理する非最適化ウェーブレット変換と比較して二分の一に短縮される。
【００１５】
更に別の実施例では、ウェーブレット変換は、１つ以上のレベルのウェーブレット分解を実行し、その結果得られるウェーブレット分解情報を使用して、失速の前兆を識別することにより最適化されてもよい。１つの信号の分解と再構成の双方を含む従来のウェーブレット信号解析技法とは異なり、計算負荷は、ウェーブレット分解の実行及び信号解析用分解情報の（「ウェーブレット領域」での）使用により、分解と再構成の双方を使用する全ウェーブレット変換と比較して、減少可能である。例えば、図２に示されるように、連続する分解のレベルは、２７Ｈｚなどの所望の関心周波数のウィンドウを規定する係数３６が得られるまで実行される。その後、所望の分解レベルで計算されたウェーブレット係数を使用して、関心周波数において前兆を識別する。得られた係数で移動二乗平均平方根（ＲＭＳ）計算を実行するなどして、所望の分解レベルで分解情報を使用することにより、分解の結果に基づいて、計算の面で効率的に失速の前兆を識別できる。
【００１６】
別の面においては、ウェーブレット変換は、変換を実行するために通常使用されると考えられる時間周期より長い時間周期にわたりウェーブレット変換の計算を分散させるために、ウェーブレット変換のコンポーネントタスクを逐次実行することにより最適化されてもよい。例えば、分解及び再構成の各レベルで実行される畳み込みなどの、ウェーブレット変換のコンポーネントタスクは、計算負荷を有効に「平均」するために時間の上で構文解析される。従って、従来のウェーブレット変換の相対的に短い時間周期特性における相対的に高い計算負荷「スパイク」は、コンポーネントタスクを各々が従来の計算負荷スパイクより相対的に低い計算負荷を有する複数の順次ステップへ構文解析することにより、相対的に長い時間周期にわたり分散される。Dmeyウェーブレット変換を使用した場合、時間の上でウェーブレット変換タスクを分散させることにより、失速前兆検出の正確さを相当に損なうこともなく、圧力測定信号における失速の前兆を識別できることを発明者は実験により判定している。例えば、１つのデータ収集サイクルの中で全てのステップではなく、個別のステップを処理する場合には、全てのステップを処理するために要求される処理能力（６００マイクロ秒の処理時間）と比較して、ステップごとに処理能力の六分の一が（１００マイクロ秒の処理時間）使用されることになる。
【００１７】
本発明の一実施例では、時間の上でウェーブレット変換タスクを分散させることは、分解レベルの数をＮとし、再構成レベルの数をＭとするとき、Ｎ＋Ｍ＋４のステップにわたりウェーブレット計算を分散させることを含む。例えば、４つの分解レベルと、４つの再構成レベルを有するDmeyウェーブレット変換は５１２Ｈｚでサンプリングされた１秒分の緩衝圧力測定データに対して使用されてもよい。１秒ごとに、サンプリングされたデータに対して４回のウェーブレット失速／サージ出力評価が実行される。各々の評価は次のようなステップを含み、以下に説明する各ステップは１／５１２秒、すなわち、０．００２秒持続する。
【００１８】
ステップ１：１秒分の緩衝データを受信する。
【００１９】
ステップ２：ウェーブレット第１レベル分解を実行する。
【００２０】
ステップ３：第１レベル近似係数に対してウェーブレット第２レベル分解を実行する。
【００２１】
ステップ４：第２レベル近似係数に対してウェーブレット第３レベル分解を実行する。
【００２２】
ステップ５：第３レベル近似係数に対してウェーブレット第４レベル分解を実行し、詳細係数を保持する。
【００２３】
ステップ６：第１レベル再構成近似係数を０に設定して、第４レベル分解詳細係数に対してウェーブレット第１レベル再構成を実行する。
【００２４】
ステップ７：第２レベル再構成詳細係数を０に設定して、（ステップ６からの）第１レベル再構成近似係数に対してウェーブレット第２レベル再構成を実行する。
【００２５】
ステップ８：第３レベル再構成詳細係数を０に設定して、第２レベル再構成近似係数に対してウェーブレット第３レベル再構成を実行する。
【００２６】
ステップ９：第４レベル再構成詳細係数を０に設定して、第３レベル再構成近似係数に対してウェーブレット第４レベル再構成を実行する。
【００２７】
ステップ１０：ウェーブレット第４レベル再構成近似係数の二乗平均平方根（ＲＭＳ）を計算する。この値を再構成ＲＭＳと呼んでもよい。
【００２８】
ステップ１１：現在の再構成ＲＭＳ値と、３つの以前の対応する再構成ＲＭＳ値の時間平均を計算する。
【００２９】
ステップ１２：再構成ＲＭＳバッファの第４の要素が３回の出力計算サイクル以前に計算された再構成ＲＭＳであり、バッファの第３の要素は２回の出力計算サイクル以前に計算された再構成ＲＭＳであり、バッファの第２の要素は１回の出力計算サイクル以前に計算された再構成ＲＭＳであり、バッファの第１の要素は現在の再構成ＲＭＳであるように、再構成ＲＭＳバッファをポピュレートする。再構成ＲＭＳバッファの各要素は当初は０に設定されている。
【００３０】
ステップ１〜１２はウェーブレット失速／サージ出力評価時間ごとに繰り返されてもよい。先に説明したケースでは、ステップ１〜１２は１秒ごとに４回繰り返される。尚、再構成ステップが実行されない場合、すなわち、Ｍ＝０である場合には、ステップ６〜９を省略でき、ステップ１０における再構成ＲＭＳは第４レベル再構成近似係数ではなく、第４レベル分解詳細係数から計算される。
【００３１】
更に別の実施例においては、データの１ブロックを解析するためのウェーブレット変換は、データのブロックをそれぞれのデータセグメントに分割し、各々のデータセグメントに対してウェーブレット変換を順次実行することにより最適化されてもよい。データの１ブロック全体を受信するのを待っているのではなく、データブロックの小さなセグメントに対してウェーブレット変換を順次実行する。それにより、セグメントごとのウェーブレット変換の計算を高速化し、データブロック全体に対するウェーブレット変換と比較して速くウェーブレット変換データを出力することができる。例えば、所望の圧縮機段から抽出される圧縮機圧力データを表す受信データブロックは、４つのセグメントに構文解析されてもよい。データブロックの第１のセグメントを受信すると、その第１のセグメントに対してウェーブレット変換が実行される。第１のセグメントに関するウェーブレット変換情報は、先入れ先出しバッファ（ＦＩＦＯ）などのバッファに格納されてもよい。バッファは、ウェーブレット変換セグメントサイズに対応するデータ幅及びデータセグメント記憶場所４つ分のデータ深さを有するように構成されていてもよい。
【００３２】
データブロックの次のセグメント、すなわち、第２のセグメントを受信すると、第２のセグメントに対してウェーブレット変換が実行され、先に格納されていたウェーブレット変換セグメントを隣接するバッファ記憶場所へシフトして、バッファに変換情報が格納される。この動作は最後のセグメント、すなわち、第４のセグメントに到達するまで繰り返し実行される。その結果、バッファは受信されたデータブロック全体を表すウェーブレット変換データを含むことになり、１つのセグメントのウェーブレット変換が完了すると、直ちにそのセグメントに関して変換データを利用可能にする。新たなデータのブロックを受信すると、新たなブロックの第１のセグメントに対応するウェーブレット変換データは、例えば、ＦＩＦＯ規則に従って、以前の第１のウェーブレット変換済みセグメントをバッファから押し出す。以上説明した革新的方法を使用すると、ウェーブレット変換を実行する前にデータブロック全体を受信するのを待つのではなく、データブロックの各セグメントを処理した後にウェーブレット変換データを提供できる。ウェーブレット変換データをより迅速に提供することにより、従来のウェーブレット変換技法を使用する場合より速く失速の前兆が識別されることになる。
【００３３】
更に別の面においては、ウェーブレット変換プロセスはウェーブレット変換データを生データと混合することにより最適化されてもよい。例えば、既にウェーブレット変換されている、先に受信されたデータの１ブロックを、その後に受信された未変換のデータのブロックと混合して、変換済みデータと生データの双方を含む混合データを生成してもよい。この混合データに対してウェーブレット変換を実行することにより、生データを使用する場合より相対的に早く失速の前兆を識別でき、好都合であることを発明者は実験により実証した。
【００３４】
図３は、失速の前兆を識別するために圧縮機圧力データに対して最適化ウェーブレット変換を実行する方法の一例のフローチャート４０である。図３に示される方法は、従来のウェーブレット変換方法と比較して前兆検出を改善するために、先に説明したいくつかの最適化技法を都合良く組み合わせている。まず、ブロック４２では、データブロックの１つのセグメントが読み取られ、ブロック４４で、そのセグメントに対して第１のレベルのウェーブレット分解が実行される。ブロック４６で所望の周波数ウィンドウが（例えば、得られる詳細係数又は近似係数のいずれかで）隔離されたならば、ブロック４８で、分解係数に対応する信号の二乗平均平方根（ＲＭＳ）値を計算するために所望の係数が使用される。ブロック４６で所望の周波数ウィンドウが隔離されなかった場合には、ブロック４４に戻ることにより、別のレベルのウェーブレット分解が実行される。ブロック４４及び４６に示されるプロセスは、所望の周波数ウィンドウが隔離されるまで繰り返されればよい。ブロック４８でＲＭＳ値を計算した後、ブロック５０で移動平均計算が実行され、その結果はブロック５２に従ってバッファに格納される。次に、ステップ４２でデータブロックの次のデータセグメントが読み取られ、データブロックの全てのセグメントが処理されるまで、フローチャート４０のプロセスは後続するセグメントに対して繰り返される。次に、その結果として得られたウェーブレット変換データが、失速の前兆の有無を判定するために変換データの閾値交差を検出するなどの方法により解析される。その後、対応する失速測定信号が発生され、失速を防止するようにガスタービンの動作を修正するためにガスタービンコントローラに供給される。上述の方法は失速前兆の認識を改善することが実験により実証されている。
【００３５】
本発明は、コンピュータ実現プロセス及びそれらのプロセスを実施するための装置の形態で具現化されることが可能である。また、本発明は、フロッピー（登録商標）ディスケット、ＣＤ‐ＲＯＭ、ハードドライブ、又は他の何らかのコンピュータ読み取り可能な記憶媒体などの有形の媒体で具現化されるコンピュータ読み取り可能な命令を含むコンピュータプログラムコードの形態で具現化されることも可能であり、その場合、コンピュータプログラムコードがコンピュータにロードされ、そのコンピュータにより実行されるとき、コンピュータが本発明を実施する装置となる。更に、本発明は、例えば、記憶媒体に格納され、コンピュータにロードされ及び／又はコンピュータにより実行される場合であっても、あるいは電気的配線又はケーブル配線を介するか、光ファイバを介するか、又は電磁放射を介するなどの何らかの送信媒体を介して送信される場合であっても、コンピュータプログラムコードの形態で具現化されることも可能であり、そのコンピュータプログラムコードがコンピュータにロードされ、そのコンピュータにより実行されるとき、コンピュータが本発明を実施する装置となる。汎用コンピュータにおいて実現される場合、コンピュータプログラムコードセグメントは特定の論理回路又は処理モジュールを作成するようにコンピュータを構成する。
【００３６】
本発明の好ましい実施例を図示し、説明したが、そのような実施例が単なる例として提供されたにすぎないことは自明である。特許請求の範囲に示される図中符号は本発明の範囲を狭めようとするのではなく、本発明の理解を容易にすることを意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明のいくつかの面を具現化した圧縮機失速及びサージの前兆を検出するためのガスタービン制御システムの一例のブロック線図。
【図２】失速の前兆を識別するための最適化ウェーブレット分解及び再構成の一例を示すブロック線図。
【図３】失速の前兆を識別するために圧縮機圧力データに対して最適化ウェーブレット変換を実行する方法の一例のフローチャート。
【符号の説明】
【００３８】
１０…ガスタービン制御システム、１２…圧縮機、１４…ウェーブレット信号プロセッサ、１６…コントローラ、１８…センサ、２４…ガスタービン
【図１】
0004619771.tif 000002
【図２】
0004619771.tif 000003
【図３】
0004619771.tif 000004