Die richtige Sensorwahl für Hochtemperaturumgebungen.
Brennkammerschäden vermeiden
Warum eine kontinuierliche Überwachung von Schwingungen notwendig ist
Verbrennungsschwingungen können zu teuren Schäden an Gasturbinen und anderen Verbrennungssystemen führen. Diese meist thermoakustischen Schwingungsformen sind besonders gefährlich, da sie zum einen innerhalb sehr kurzer Zeit eine für die Maschine schädliche Amplitude erreichen können. Zum anderen hängt deren Auftreten signifikant von nur schwer zu quantifizierenden bzw. sich kontinuierlich verändernden Einflussfaktoren ab, wie etwa den am Maschinenstandort herrschenden Umgebungsbedingungen (z.B. Luftfeuchtigkeit oder Temperatur), dem aktuellen Maschinenzustand, den Fertigungstoleranzen der spezifischen Maschine, der Brennstoffzusammensetzung vor Ort und dergleichen.
Kurzum: Verbrennungsschwingungen können aufgrund der Vielzahl an Einflussfaktoren nicht verlässlich vorhergesagt werden. Sie müssen daher besonders in kritischen Einsatzgebieten, wie etwa in Kraftwerken zur Stromerzeugung oder in Verdichterstationen für Pipelines, stetig überwacht werden. Das erratische auftretenden dieser Schwingungsformen erfordert zudem die kontinuierliche Aufzeichnung aller Messdaten, denn nur so ist die Datenverfügbarkeit für Analysen im Schadensfall sichergestellt.
Die IFTA Lösung für monitoring und Schutz
Das IFTA ArgusOMDS Monitoring und Schutzsystem wurde speziell für die Überwachung und Diagnose von Brennkammern in Gasturbinen konzipiert und hat sich in hunderten Gasturbinenkraftwerken weltweit bewährt. Das System lässt sich durch unser modulares Hard- und Softwarekonzept nach Bedarf auf die jeweiligen Anforderungen anpassen, sodass für jede Anwendung eine optimale Lösung gefunden wird.
Praxiswissen rund um die Thermoakustik
Wenn Sie Fragen zu Verbrennungsschwingungen haben, sind Sie bei uns richtig - denn IFTA ist Experte auf dem Gebiet der Thermoakustik, sowohl durch langjährige praxisnahe Beratung von Kunden - insbesondere im Bereich der Gasturbinen - als auch durch unsere Forschungsprojekte.
Echtzeit-Schutz für Brennkammern mit umfangreichen Aufzeichnungs- und Analysetools:
- Verbrennungsschwingungen erkennen und 24/7 aufzeichnen
- Echtzeit-Schutz und Schwingungsdiagnose
- Umfangreiche Auswertungen mit der Auswertesoftware IFTA TrendViewer
- Optionales Software Modul IFTA PreCursor zur Früherkennung von Schwingungen in Ringbrennkammern
Unsere Produktempfehlung ist das Monitoring und Schutzsystem IFTA ArgusOMDS mit der Software Ausstattung TrendViewer Expert C für Verbrennungsschwingungen.
Herausforderungen bei der Überwachung von Brennkammern
Sensorwahl
Wegen der extremen Bedingungen in einer Brennkammer - hohe Temperatur und hoher Druck - können nur spezielle und teure Hochtemperatursensoren ohne integrierte Elektronik eingesetzt werden, direkt an oder nahe der Brennkammer. Sollen günstige Niedertemperatursensoren zum Einsatz kommen, so müssen diese von der Brennkammer abgesetzt werden - jedoch ist dies mit etlichen Nachteilen verbunden.
Position des Sensors
Die Sensorpositionen sollten mit Bedacht gewählt werden, um sicherzustellen, dass alle kritischen Moden die auftreten können auch sicher gemessen werden können. Liegt die Sensorposition im Knoten einer Schwingung, so kann diese nicht oder nur sehr schlecht erfasst werden. Mehr als ein Sensor ist hier das Mittel der Wahl, jedoch sprechen hier wirtschaftliche Aspekte wie Anschaffungskosten und Wartung oft dagegen.
Echtzeit-Analyse der Messdaten
Um die für den Maschinenschutz notwendigen Informationen aus den Messrohdaten zu extrahieren, müssen diese in Echtzeit verarbeitet und ausgewertet werden. Die hierfür notwendigen mathematischen Modelle erfordern ein tiefgreifendes Verständnis der physikalischen Phänomene sowie signifikante Rechenkapazitäten im Feld.
Signalanalyse
Hier ist ausschlaggebend bis zu welcher Frequenz Schwingungen auftreten können. Kleine Brennkammern erfordern Abtastraten bis 50 kHz und mehr. Zusätzlich treten Schwingungen meist spontan und schnell aufklingend auf. Dies macht eine lückenlose und kontinuierliche Analyse mit überlappenden FFT-Fenstern unabdingbar. Nur so können insbesondere schnell auf- und wieder abklingende Schwingungen erkannt werden.
Zuverlässiger Schutz der überwachten Brennkammer
Um diesen zu gewährleisten ist eine stabile 24/7-Echtzeitanalyse mit der geringst möglichen Latenz notwendig, was entsprechende Eingangskarten, Prozessoren (DSPs) und Ausgangskarten erfordert und somit PC basierte Lösungen ausschließt. Nur dies gewährleistet einen zuverlässigen Schutz und verhindert Schäden.
Effizienter Umgang mit großen Datenmengen
Die Anforderung Mess- und Betriebsdaten mit hohen Samplingraten und einer Vielzahl an Sensoren 24/7 aufzuzeichnen zu können, führt schnell zu einer sehr großen Menge an Daten. Diese müssen in Echtzeit erhoben und vorverarbeitet werden, um sie anschließend effizient speichern und analysieren zu können - z.B. mit Hilfe von Methoden des maschinellen Lernens.
Profitieren Sie von unserem Know-How
Wir sind das einzige Unternehmen weltweit, das sich auf thermoakustische Brennkammerschwingungen spezialisiert hat. Seit 1996 unterstützen wir unsere Kunden mit unserer Expertise sowie unseren bewährten Schutz- und Monitoring-Systemen. Unser Ziel ist es hierbei kompatible Lösungen für den gesamten Produktlebenszyklus zu bieten: Von frühen Tests über die breite Anwendung im Feld bis hin zum Service und zur Produktoptimierung.
Neueste Technologie für Ihren Prüfstand
In der frühen Entwicklungsphase einer Maschine ist es wichtig diese so gut und so schnell wie möglich kennen zu lernen. Nur so können deren Kinderkrankheiten gelöst und effiziente und effektive Betriebsstrategien erarbeitet werden. Ein Schlüssel hierzu liegt in der Aufzeichnung und Analyse von Langzeitmessdaten: Je mehr qualitativ hochwertige Daten zur Verfügung stehen und je effizienter diese zusammen analysiert werden können, desto erfolgreicher können Sie Maschine und Prozesse optimieren.
IFTA Systeme bieten hierzu die neueste am Markt verfügbare Technologie:
- Robuste und kontinuierliche 24/7 Speicherung aller Mess- und Betriebsdaten in einem zur effizienten Weiterverarbeitung optimierten Format - z.B. mit Machine Learning Algorithmen.
- Echtzeitfähige, performante Hardware, um Signale nahe an der Maschine - der sogenannten Edge - auswerten zu können, z.B. um modellbasierte Schutzfunktionen zu ermöglichen oder die zu übertragende Datenmenge zu reduzieren.
- Anwendersoftware mit der intuitiv und schnell die großen Datenmengen visualisiert und analysiert werden können, on- wie offline.
- Eingangsmodule für alle gängigen Messgrößen: Von analogen Spannungs- bzw. Stromsignalen über Temperatursensoren und Dehnungsmessstreifen hin zu Torsionsschwingungen.
- Flexible Einbindung von Betriebsdaten, z.B. über OPC, Profibus/Profinet oder als analoge Signale.
- Vielfältige Möglichkeiten zur Reglerkommunikation, z.B. mit analogen Signalen, Relais oder Profibus/Profinet.
Vom Prüfstand ins Feld
Während es am Prüfstand darum geht möglichst viele Daten zu sammeln, geht es im Feld darum die Instrumentierung und Datenverarbeitung zu minimieren. Nur so lässt sich eine wirtschaftlich erfolgreiche Flotte aufbauen. Die Kompatibilität und Modularität unserer Hard- und Software Produkte ermöglicht genau dies: Bringen Sie die am Prüfstand gewonnenen Erkenntnisse nahtlos ins Feld und investieren Sie hierbei nur in Komponenten die wirklich einen messbaren Vorteil bringen.
Sollten Sie später unvorhergesehene Probleme dazu zwingen, z.B. eine Datenaufzeichnung temporär nachzurüsten, bieten IFTA Systeme alle Möglichkeiten: Stecken Sie einfach unseren fertig eingerichteten SlotPC mit DataHub in das System und alle Daten werden sofort automatisch mitgeschrieben. Sie bekommen damit Zugang zu Daten, die sich am Prüfstand nicht messen lassen - etwa weil viele Ereignisse zufällig auftreten, von den lokalen Gegebenheiten abhängen oder deren Konsequenzen für die Maschine unzumutbar sind.
Höchste Anlagenverfügbarkeit und Effizienz
Bei all unseren Produkten steht Robustheit und Qualität an erster Stelle, denn wir wissen was für unsere Kunden vor allem zählt: Höchste Anlagenverfügbarkeit und Sicherheit. An zweiter Stelle kommt modernste Technologie, welche es ermöglicht Ihre Anlagen bei maximaler Effizienz betreiben zu können.
Unser vorrangiges Ziel ist es daher, dass unsere Produkte über viele Jahre hinweg 24/7 wartungsfrei und ohne Ausfälle laufen. Hierzu setzen wir z.B. auf passiv gekühlte Hardware, da Lüfter erfahrungsgemäß ausfallen können. Unsere Systeme starten zudem nach einem Stromausfall neu und setzen ihre Arbeit automatisch fort - inklusive Datenaufzeichnung. Das Design von IFTA Systemen folgt einem Zwiebelschalen-Prinzip: Anwender interagieren lediglich mit der äußersten Schicht. Die Datenaufzeichnung erfolgt eine Ebene darunter und alle für den Maschinenschutz notwendige Echtzeitfunktionen laufen im Kern. Zusammen mit einer granularen Zugriffskontrolle der einzelnen Komponenten wird so höchste IT-Sicherheit und Robustheit der wichtigsten Systemfunktionen gewährleistet.
Schwingungsüberwachung und Schutz
Das ArgusOMDS hat sich in über 20 Jahren weiterentwickelt und im Monitoring von Verbrennungsschwingungen bewährt, wie sie z. B. in Gasturbinenbrennkammern auftreten. Zahlreiche Siemens Energy Gasturbinen z. B. vom Typ 4000F und 8000H sind mit dem ArgusOMDS Schutzsystem ausgestattet und sorgen tagtäglich für eine zuverlässige Energieversorgung.
Die Vorteile des ArgusOMDS Systems:
- Reaktion auf Schwingungsereignisse in Echtzeit über Ausgangskarten für Schutzfunktionen
- Hoch anpassbare Langzeitdatenaufzeichnung über Monate inklusive lückenloser Rohsignale und kompakter Übersichtsdateien
- Betriebsdatenaufzeichnung um zu verstehen unter welchen Bedingungen Schwingungen auftreten
- Frei konfigurierbare Pre/Post-Trigger für zusätzliche Speicherung im Ereignisfall
- Modularer Aufbau für Flexibilität in der Wahl der Eingangsmodule
- Integriert die Software SignalMiner und DataHub um Daten aufzuzeichnen, zu speichern und weiter zu verteilen
- Echtzeitfähige Schutz- und Regelungsfunktionen über eine Auswahl an Ausgangsmodulen
- Integriert die Datenauswertesoftware IFTA TrendViewer um die erfassten Daten zu visualisieren, untersuchen und zu analysieren
- Optional mit thermoakustischem Frühwarnsystem IFTA PreCursor
Reduktion auf Maschinenschutz
Das IFTA SmartProtect System fokussiert sich auf den reinen Maschinenschutz und verzichtet dabei auf die Datenaufzeichnung und Diagnose des IFTA ArgusOMDS Systems. Es eignet sich daher ideal für den kostengünstigen Schutz von Anlagen, wenn keine umfangreiche Datenanalyse und Langzeit-Datenaufzeichnung erforderlich sind.
Wie in der Grafik unten dargestelt, können mehrere SmartProtect Systeme zur Datenaufzeichnung und -analyse an eine zentrale Workstation angeschlossen werden. Dies reduziert den Hardwarebedarf im Vergleich zur Verwendung von mehreren ArgusOMDS Systemen und bündelt die Datenströme mehrerer Gasturbineneinheiten. Entweder können auf diese Weise alle Systeme parallel angeschlossen werden, oder es kann - z.B. per Laptop - ein System nach dem anderen verbunden werden. Letzteres Konzept ermöglicht es, die Datenaufzeichnung und -analyse bedarfgesteuert temporär nutzen zu können, etwa zur Problemanalyse oder zum Tuning. Der Schutz ist in jedem Fall für jede Turbineneinheit kontinuierlich aktiv.
- Modularer Aufbau für Flexibilität in der Wahl der Eingangsmodule
- Echtzeitfähige Schutz- und Regelungsfunktionen über eine Auswahl an Ausgangsmodulen
- Optional mit thermoakustischem Frühwarnsystem IFTA PreCursor
- Erweiterbar um Analyse- und Speicherfunktion für kurz- oder langfristigen Einsatz
Visualisierung von Verbrennungsschwingungen mit IFTA TrendViewer
Mit Hilfe des IFTA Systems ArgusOMDS ist es möglich, das maschinendynamische Betriebsverhalten von Gasturbinen, Dampfturbinen, Generatoren oder auch Antriebssträngen zu erfassen. Die Auswertesoftware IFTA TrendViewer bietet spezialisierte Plots, um komplexe Sachverhalte auf anschauliche und flexible Art und Weise darzustellen.
Plotdarstellungen zur Visualisierung von dynamischen Signalen
Waveform Trend Plot
Verwenden Sie den Trend Plot, um Wertänderungen im Zeitverlauf zu analysieren. Die Zeit wird auf der x-Achse und die Werte auf der y-Achse dargestellt.
Analysieren Sie Schwingungsformen, um zu sehen, wie sich die Amplituden und Wellenformen im Zeitverlauf ändern.
Das Beispiel zeigt ein Abstandssensorsignal einer rotierenden Maschine. Auf der x-Achse wird die Zeit dargestellt, auf der y-Achse die Amplitude des Signals.
Spectrogram Plot
Analysieren Sie Frequenzphänomene über die Zeit mit einem Spektrogramm und visualisieren Sie Amplitudenänderungen für alle Frequenzlinien auf einmal.
In diesem Beispiel wird das Absolutspektrum eines Drucksensors in einem akustisch angeregten Brenner dargestellt. Dabei können Sie können sehen, wie die Amplitude der ersten Harmonischen bei einer Frequenz von ≈175Hz steigt und fällt.
Auf der x-Achse ist die Zeit dargestellt, auf der y-Achse die Spektraleinheit, z.B. Frequenz [Hz]. Der Farbbalken auf der linken Seite definiert die Farben, welche die Amplitude abbilden.
Spectrum Plot
Verwenden Sie den Spectrum Plot, um Spektren für einen ausgewählten Zeitpunkt zu analysieren. Der Spectrum Plot erlaubt, die Amplitude für alle Frequenzlinien gleichzeitig zu erfassen und die relevanten Frequenzen an der aktuellen Zeit-Cursorposition zu identifizieren.
Die Abbildung zeigt das absolute Spektrum eines Drucksensors, der in einem akustisch erregten Brenner eingebaut ist. Die Resonanzspitze bei 168 Hz wird automatisch mit einem Label markiert, das Amplitude und Frequenz anzeigt.
Der Plot wird häufig in Verbindung mit einem Intensitätsplot verwendet, um die Werte an der aktuellen Cursorposition anzuzeigen. Auf der x-Achse wird die Frequenz und auf der y-Achse die Amplitude des Spektrums dargestellt.
Plotdarstellungen zur Visualisierung von statischen Signalen
Trend Plot
Verwenden Sie den Trend Plot, um Wertänderungen über der Zeit zu analysieren. Die Zeit wird auf der x-Achse und die Werte auf der y-Achse dargestellt.
Visualisieren Sie im Trend Plot, wie sich ein Signal im Laufe der Zeit ändert. Finden Sie Abhängigkeiten in Ihren Daten, indem Sie mehrere Signale zum Plot hinzufügen.
Boolean Trend Plot
Verwenden Sie den Trend Plot, um Wertänderungen im Zeitverlauf zu analysieren. Die Zeit wird auf der x-Achse und die Werte auf der y-Achse dargestellt.
Analysieren Sie boolesche / logische Signale im Zeitverlauf und identifizieren Sie Zeitpunkte, zu denen Änderungen stattfinden. Die Signale werden automatisch "gestapelt" und auf der Y-Achse gruppiert, um die Lesbarkeit zu verbessern.
Im Beispiel werden zwei Statussignale (RunUp und RunDown) für einen Rotor dargestellt. Auf der x-Achse wird die Zeit und auf der y-Achse der Zustand angezeigt (0 für falsch und 1 für wahr). Wie Sie sehen können, befindet sich die Maschine zuerst im Anlaufzustand und wird nach kurzer Zeit wieder heruntergefahren.
Intensity Plot
Visualisiert eine Gruppe von Signalen mit der gleichen Einheit in einem Intensitätsdiagramm. Somit erhalten Sie einen Überblick der Werte über den Zeitverlauf. So können schnell Sensorwerte identifizieren werden, die vom Rest der Gruppe abweichen und man kann analysieren, wie sich Werte mit der Zeit ändern. Die Darstellung gibt einen schnellen, komprimierten Überblick über eine Gruppe von Signalen, die im Vergleich zu einer Trenddarstellung überlegen ist.
Im Beispiel werden 24 Turbinenaustrittstemperaturen auf der y-Achse über der x-Achse (Zeit) dargestellt. Die Temperatur wird farblich dargestellt, wobei die Farbe dem Temperaturwert entspricht, der auf dem "Farbbalken" auf der linken Seite des Diagramms angezeigt wird.
List Plot
Visualisiert die Werte der Signale an den aktuellen Zeit-Cursorpositionen. So können Sie schnell Werte verschiedener Signale und unterschiedlicher Zeitpunkte vergleichen.
Im Beispiel werden die aktuellen Werte der Maschinenzustandsvariablen für den Zeitcursor 1 und 2 angezeigt. Zusätzlich dazu werden Daten wie die Zeit, die Wertdifferenz zwischen den beiden Zeitpunkten und die Signaleinheit angezeigt. Es ist zudem möglich, die Anzahl der Tabellen, sichtbaren Spalten und Zeilen zu konfigurieren.
LED Plot
Der LED-Plot visualisiert boolesche bzw. logische Signale an der aktuellen Zeit-Cursorposition. Dies erlaubt, sofort zu sehen, ob ein Fehler oder Alarm auftritt und ob Ihr System korrekt läuft.
Das Beispiel zeigt mehrere Binärsignale (grün/rot für true und grau für false). Dabei kann eine Farbe für den aktiven und inaktiven Zustand gewählt werden.
Array Plot
Der Array Plot visualisiert eine Gruppe von Signalen mit der gleichen Einheit in einem Plot. So erhalten Sie einen Überblick über die Werte an der aktuellen Zeitcursorposition und können dadurch schnell Sensorwerte identifizieren, die vom Rest der Gruppe abweichen.
Im Beispiel sehen Sie 24 Turbinenaustrittstemperaturen. Auf der x-Achse wird die Sensornummer und auf der y-Achse die Temperatur angezeigt.
Radar Plot
Nutzen Sie den Radar Plot, um einen schnellen Überblick über mehrere Signale gleichzeitig zu erhalten. Mit Hilfe dieses Plots können sie leicht erkennen, ob ein Sensor für eine größere Anzahl von Messsignalen andere Daten liefert als andere Sensoren.
Im Beispiel sehen Sie 24 Turbinenaustrittstemperaturen, die gleichmäßig um den Plotursprung herum dargestellt werden.
Hochtemperatursensoren vs. Infinity Tubes
Idealerweise misst man Druckschwingungen möglichst an der Stelle, an der sie den größten Einfluss auf das Maschinenverhalten bzw. -zustand haben. Sind die Druckschwingungen durch thermoakustische Verbrennungsinstabilitäten hervorgerufenen ist dies direkt an der Brennkammer. Da herkömmliche Drucksensoren den dort herrschenden sehr hohen Temperaturen nicht standhalten können, existieren Im Wesentlichen zwei Herangehensweisen:
- Positionierung des Sensors an einem hinreichend kühlen Ort. Die Druckschwingung wird hierbei mit Hilfe eines Rohres bzw. Schlauches aus der Brennkammer zur Sensorposition hin "geleitet"
- Verwendung von speziellen Hochtemperaturdrucksensoren
Infinity Tubes
Die erste Option ermöglicht es, auf herkömmliche Drucksensoren zurückgreifen zu können. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass der Druck nicht direkt in der Brennkammer, sondern in einem daran angebrachten Rohr gemessen wird. Jedes Rohr besitzt abhängig von seiner Länge eine Reihe von Eigenfrequenzen. Die im Rohr gemessene Druckamplitude hängt damit von der jeweiligen Schwingungsfrequenz sowie der Positionierung des Sensors ab. Nur für kleine Frequenzbereiche kann von der im Rohr gemessenen Amplitude einfach auf die in der Brennkammer herrschende tatsächliche Amplitude rückgeschlossen werden. Dieses Problem wird oftmals dadurch gelöst, das Rohr sehr lang zu machen, um Resonanzüberhöhungen für relevante Frequenzbereiche an der Sensorposition zu minimieren - man spricht in diesem Zusammenhang deshalb oft von sogenannten "Infinity Tubes".
Diese Infinity Tubes haben den Nachteil, dass sie zum einen recht unhandlich sind. Zum anderen sind sie anfällig für Beschädigungen. So können etwa durch eine Deformation oder kondensiertes Wasser ungewollte Querschnittsverengungen auftreten, die wiederum zu Reflexionen führen und damit die Funktionalität einschränken.
Hoch-Temperatur Sensoren
Die deutlich robustere Lösung besteht im Einsatz von Hochtemperatur-Sensoren, die direkt an der Brennkammer angebracht werden können. Aufgrund der dort herrschenden widrigen Umgebungsbedingungen, müssen hierbei die ansonsten im Sensor integrierten Ladungsverstärker ausgelagert werden. Diese externen Ladungsverstärker werden mit Hilfe temperaturbeständiger Kabel mit den Sensoren verbunden, was zu einem etwas komplexeren Messaufbau führt. Eine derartige Messkette erlaubt es jedoch akustische Druckschwankungen über einen sehr breiten Frequenzbereich nahezu ohne Verfälschung direkt in bzw. an der Brennkammer zu messen.
Fazit
Zur Messung von Druckschwingungen in Brennkammern existieren zwei Lösungen: (1) Der Einsatz von Hochtemperatur-Messketten und (2) die Verwendung sogenannter Infinity Tubes. Technisch ist die erste Lösung in jeder Hinsicht überlegen. Einzig der niedrigere Preis sowie eine größeres Angebot von Sensoren am Markt sprechen für den Einsatz von Infinity Tubes.
Vorteile der IFTA Systemlösung bei Verbrennungsschwingungen
Flexibilität & Kompatibilität
Die modulare Hardware bietet einen einfachen flexiblen Aufbau und Kompatibilität mit gängigen Sensorprinzipien. Sensoren sind für Hochtemperaturumgebungen geeignet. Eine breite Auswahl an Eingangsmodulen sowie eine schlanke Messkette für rauscharme Signalübertragung runden die Auswahl ab.
Zuverlässiger Schutz
Das Monitoring und Schutzsystem IFTA ArgusOMDS bietet Langzeitaufzeichnung, getriggerte Datenspeicherung mit Pre- und Post-Trigger sowie Schutzabschaltungen für die Sicherheit von Maschinen und Anlagen.
Echtzeit Datenanalyse
Der IFTA DSP mit seiner SignalMiner Firmware sorgt für eine Echtzeit-Messung und Analyse und dem Vergleich von Maschinen- und Betriebsdaten. Mit der Auswertesoftware IFTA TrendViewer werden Messdaten online analysiert und ggf. können Einstellungen für effiziente und zuverlässige Maschinenauslastung direkt optimiert werden.
Verfügbarkeit & Sicherheit
Das Monitoring System IFTA ArgusOMDS überwacht Anlagen autark und zuverlässig 24/7, auch über Jahre hinweg. Daten werden zuverlässig aufgezeichnet und können bei Bedarf analysiert werden.