专利名称：控制至涡轮机械的燃料流的方法
技术领域：
本申请涉及2008年12月10日提交的共同转让的美国专利申请12/331824[GE案 卷号 230465-2]。本发明一般地涉及涡轮机械的启动运行，并且更特别地，涉及一种在与涡轮机械 的启动运行相关联的点火模式期间加强燃料流的方法。
背景技术：
“快速启动”可被认为是一种运行模式，该运行模式需要在操作者开始该涡轮机械 的启动后的特定时间内涡轮机械输出负载，能够进行遵从排放规定的运行。波动的能源需 求是决定涡轮机械何时运行的主要因素。涡轮机械通常是空转的，直到足够的需求要求运 行。当需求要求运行时，在输出期望的能量(电力、机械转矩、蒸汽等)前，涡轮机械执行启 动过程。调峰(peaking)或简单循环设备可执行快速启动，并且然后由在更长的时期中 有效的发电所取代。另外，本申请当前的受让人通用电气公司具有联合循环(CC)动力设 备(CCPP)的资产组合，例如但不限于那些在US27113562A1中公开的，题为“Method and Apparatus for StartingUp Combined Cycle Power Systems，，。另夕卜，US04207864,题为 "Damper，，；US04208882，题为"Startup Attemperator，，；US04598551，题为"Apparatus and Method for Controlling Steam Turbine OperaingConditions During Starting and Loading。，，同样地，US05361585，题为‘Steam Turbine Split Forward Flow”;US05412936， 题为"Method ofEffecting Start-up of a Cold Steam Turbine System in a Combined CyclePlant，，;US06626635,题为"System for Controlling Clearance BetweenBlade Tips and a Surrounding Casing in Rotating Machinery”。对这些共同转让的专利和专利申 请的参考可提供对快速启动技术的范围和本文主题的进一步的理解。一些已知涡轮机械的启动过程典型地包括在不同的运行速度下发生的多个模式。 这些模式包括但不限于净化、点火、预热和加速至主要运行速度。点火模式对成功的启动 是决定性的。目前已知的控制点火模式的方法结合了来自具有假设热值燃料的预定的燃料流 率。此假设的热值通常基于涡轮机械的试车期间所使用的燃料。因为当前的热值在点火模 式期间并不确定，故这些方法按开环原理运行。一些涡轮机械操作者使用气相色谱分析法 (GC)装置来确定当前的热值。然而，GC是非常昂贵的装置并且需要定期校准和维护。存在对控制点火模式的目前已知的方法的一些忧虑。假设/默认的热值可能是不 准确的。供应至涡轮机械的现有燃料的热值可不同于在试车过程期间所使用的燃料的热 值。这可导致点火模式和整体启动过程失败。因此，存在对在涡轮机械的启动期间控制点火模式的改进的方法的期望。该方法 应提供基于当前热值调整燃料流的闭环方法。此方法应提高成功的点火模式和启动的概 率。这可协助涡轮机械来满足快速启动运行的需求。发明内容[O009] 在本发明的一个实施例中，提供了在涡轮机械的启动过程期间控制流至燃烧系统的燃料的一种方法，该方法包括提供涡轮机械，其包括压缩机段1燃料系统1燃烧系统和排气段；确定燃烧系统的点火过程所需的能量的量；确定由燃烧系统消耗的燃料的热值；其中燃料系统将燃料输送至燃烧系统；利用点火算法来确定燃料的所需质量流率；其中点火算法将关于点火过程所需的能量的量的数据与关于燃料的热值的数据进行比较；并且利用关于所需的燃料的质量流率的数据未定位燃料系统的阀；其中阀允许燃料从燃料系统流至燃烧系统，从而在点火过程中使用；其中方法自动补偿燃料的热值上的改变。
在本发明的一个备选实施例中，提供了为加强与燃气涡轮机的启动过程关联的点火过程而构造的一种系统，该系统包括燃气涡轮机，其包括压缩机段1燃料系统1燃烧系统和排气段；以及适合控制燃气涡轮机的控制系统，其中控制系统执行如下步骤接收关于用于燃烧系统的点火过程的燃料的默认热值的数据；确定在燃气涡轮机关机时由燃烧系统所消耗的燃料的实际热值；其中燃料系统将燃料输送至燃烧系统；利用点火算法来确定输送至燃烧系统的燃料的所需质量流率；其中点火算法将关于燃料的默认热值的数据与关于燃料的实际热值的数据进行比较；利用关于燃料的所需质量流率的数据来控制燃料系统的阀的行程；其中阀允许燃料从燃料系统流至燃烧系统，从而在点火过程中使用；并在确定燃料的热值已改变后，自动调整所需的质量流率。
图l是图示了本发明的一个实施例可在其内运行的环境的示意图。
图2是图示了根据本发明的一个实施例的控制点火模式的方法的框图。
图3是图示了根据本发明的一个备选实施例的控制点火模式的方法的框图。
部件列表[oo15] lOO涡轮机械[oo16] 110压缩机段[oo17] 120燃烧系统[oo18] 130涡轮段[oo19] 135流径
140过渡段
145排气段
l 50空气流数据
160燃料系统
170负载
180排气数据
190涡轮机控制系统
200方法
300方法
具体实施例方式如所讨论的，“快速启动”可认为是动力装置机器的运行模式。在该动力装置机器 启动开始之后的特定时间内，此模式通常需要动力装置机器输出负载，同时遵从排放规定 而运行。如本文所使用，术语“快速启动”意在包括在本发明的范围内的所有此类模式和等 价物。本发明具有加强与涡轮机械的启动过程相关联的点火模式的技术效果，例如但不 限于设置为以快速启动模式运行的燃气涡轮机。该燃气涡轮机可包括但不限于重型燃气涡 轮机、航改型燃气涡轮机等。尽管本发明的实施例联系燃气涡轮机来描述，但本发明的申请 不限于燃气涡轮机。本发明的实施例可应用于燃烧与至少一种燃料混合的摄入的空气的其 它工业机器，该工业机器可不在本文中描述。本文公开了详细的示例实施例。然而，本文公开的特定结构和功能细节仅是代表 性的，出于描述示例实施例的目的。另一方面，示例实施例可以多种备选形式体现，并且不 应被解释为仅限于本文所阐述的实施例。因此，尽管示例实施例能够有不同的修改和备选形式，其中的实施例经由图中的 示例来图示，并且将在本文中详细描述。然而，应该理解的是，不存在将示例实施例限制于 所公开的特定形式的意图，而正相反，示例实施例将覆盖落在示例实施例范围内的所有修 改、等价物和替换。将会理解的是，尽管用语“第一”、“第二”等在本文中可用于描述不同的要素，但这 些要素不应由这些用语限制。这些用语仅用于区分一种要素和另一种要素。例如，第一要 素可被称为第二要素，并且类似地，第二要素可被称为第一要素，而不脱离示例实施例的范 围。如本文所使用，用语“和/或”包括一个或多个所关联的列举项的任意和全部组合。本文所使用的术语仅用于描述特定实施例，并且并非意在限制示例实施例。如本 文所使用，除非上下文另外清楚地指出，单数形式“一”、“一个”和“该”意在也包括复数形 式。还将理解的是，当在本文中使用时，用语“包括”、“包括了”、“包含”和/或“包含了”说 明了所述的特征、整体、步骤、操作、要素和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其它特 征、整体、步骤、操作、要素、部件和/或其组合的存在或添加。还应指出的是，在一些备选的实施方式中，所指出的功能/动作可不按在图中所 指出的顺序而发生。例如，两张连续的图可大体上同时执行或可有时以相反的顺序执行，取 决于所包含的功能/操作。现在参考附图，此处贯穿若干视图不同的数字代表类似的部件。图1是图示了本 发明的一个实施例可在其内运行的环境的示意图。在图1中，呈燃气涡轮机的形式的涡轮 机械100包括压缩机段110、燃烧系统120、涡轮段130、排气段145、燃料系统160和涡轮 机控制系统190。燃烧系统120接收来自燃料系统160的燃料。压缩机段110通常包含构造成压缩摄入的空气的多个旋转叶片和静止导叶(均未 图示)。在燃烧系统120内，压缩空气和燃料混合、点燃并产生工作流体。工作流体通常从燃烧系统120向下游行进，通过过渡段140的流径135，到达涡轮 段130。涡轮段130包括将工作流体转换成机械转矩的多个旋转和静止的部件(均未图 示)，该机械转矩可用于驱动负载170，例如但不限于发电机。接着，工作流体可经由排气段 145排出燃气涡轮机100。在燃气涡轮机100运行时，通过机械转矩产生的其中一些轴功170被用于压缩机段110。此外，由燃气涡轮机100所产生的其中一些能量通过外部部件消 散。该消散可被认为是热损失等。本发明的一个实施例应用基于物理的方法来确定强健的点火模式所需的燃料的 质量流率。此方法使用闭环控制方法。此处涡轮机控制系统190接收多个运行数据。涡轮 机控制系统190利用将能量平衡应用于接收的运行数据的至少一种算法。运行数据可包括 但不限于空气流数据150、来自燃料系统160的数据、涉及轴功170的数据，排气数据180和 涉及热损失的数据。如图2、图3中所描述的，此能量平衡用于确定所需的质量流率。如将领会的，本发明可作为一种方法、系统或计算机程序产品而实施。因此，本发 明可采取完全硬件实施例的形式，完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)的形 式或结合了所有本文通称为“电路”、“模块”或“系统”的软件和硬件方面的实施例的形式。 此外，本发明可采取在计算机可用存储介质上的计算机程序产品的形式，在该存储介质上 具有包含在该介质中的计算机可用的程序代码。如本文所使用，术语“软件”和“固件”是可 互换的，并包括储存在存储器中用于由处理器执行的任何计算机程序，存储器包括RAM存 储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器和非易失性RAM(NVRAM)存储器。上述存储 器类型仅为示例性的，并且因此不为对可用于计算机程序的存储的存储器类型的限制。可利用任何合适的计算机可读取介质。计算机可用或计算机可读取介质可为，例 如但不限于，电气的、磁性的、光学的、电磁的、红外的或半导体系统、设备、装置或传播介 质。计算机可读取介质的更具体的示例(非穷尽性列表)将包括如下介质具有一条或多 条线的电气连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可 擦除的可编程只读存储器(EPR0M或闪存)、光纤、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、光存储 设备、诸如那些支持互联网或内部网的传输介质或磁性存储装置。注意，计算机可用或计算 机可读取介质甚至可为程序打印于其上的纸或其它合适的介质，因为程序可通过例如纸张 或其它介质的光学扫描而电子地捕获，然后编译、解释或如果必要的话另外进行处理，并且 然后储存在计算机存储器中。在此文档的上下文中，计算机可用或计算机可读取介质可为 任何介质，这些介质可包含、存储、通讯、传播或传送该程序，用于由指令执行系统、设备或 装置使用，或与该指令执行系统、设备或装置连接。如本文所使用，用语“处理器”指中央处理单元、微处理器、微控制器、精简指令集 电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、逻辑电路以及能够执行本文描述的功能的任何其它电 路或处理器。用于执行本发明的操作的计算机程序代码可用面向对象编程语言写成，例如 Java7, Smalltalk或C++等。然而，用于执行本发明的操作的计算机程序代码也可用传统 的过程化编程语言写成，例如“C”编程语言或类似的语言。程序代码可完全在用户的计算 机上执行、部分地在用户的计算机上执行、作为独立的软件包、部分地在用户的计算机上并 部分地在远程计算机上执行、或完全在远程计算机上执行。在后面的情况下，远程计算机可 通过局域网(LAN)或广域网(WAN)连接至用户的计算机，或可连接至外部的计算机(例如， 使用互联网服务提供商通过互联网)。在下文中，参考根据本发明的实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流 程示和/或框图来描述本发明。将理解的是，流程示和/或框图的各个块以及流 程示和/或框图中的块的组合均可通过计算机程序指令来实施。这些计算机程序指令可提供给公共用途的计算机、特殊用途的计算机或其它可编程数据处理设备的处理器来生 产机器，使得通过计算机或其它可编程数据处理设备的处理器来执行的指令产生用来实施 在流程图和/或框图的块或多个块中指定的功能动作的手段。这些计算机程序指令也可存储在计算机可读取存储器中。这些指令可指示计算机 或其它可编程数据处理设备以特定的方式运行。存储在计算机可读取存储器中的此类指令 产生制品，该制品包括实施在流程图和/或框图的一个或多个块中指定的功能/动作的指 令手段。计算机程序指令也可加载在计算机或其它可编程数据处理设备上。这些指令可导 致在计算机或其它可编程设备上执行的一系列操作步骤，来产生计算机实施的过程。此处， 在计算机或其它可编程设备上执行的指令为实施流程图和/或框图的块中指定的功能/动 作提供了步骤。再次参考附图。图2是图示了根据本发明的一个实施例的控制点火模式的方法 200的框图。在本发明的一个实施例中，操作者可使用控制系统来通过图形化用户界面 (GUI)或类似物监视或控制方法200的运行。在步骤210中，方法200可确定在点火模式中使用的燃料的热值。方法200的一 个实施例可应用基于物理过程的办法(例如但不限于热力学第一定律)来确定热值。该方 法200可接收燃气涡轮机100的多个运行数据，并且然后将能量平衡应用于这些数据。运 行数据可包括但不限于进入压缩机段的空气流的质量流率和温度、进入燃烧段的燃料流 的质量流率和温度、排气温度、热损失和产生的轴功。此运行数据可对应于最近的涡轮机械 的运行。方法200可将此运行数据用在确定燃料的热值的算法中。这可为对应于最近由燃 气涡轮机消耗的燃料的非常准确的热值。此外，这是最有可能在当前的点火过程期间存在 于燃料系统内的燃料。在本发明的一个实施例中，方法200可提供计算的热值的通知。此通知可采取在 GUI或类似物上的警告、可见指示的形式。在具有气相色谱分析法(GC)的燃气涡轮机100 中，热值可与来自GC的测量值相比较。此处，方法200可为操作者提供监视GC或类似的系 统的手段。此监视可被认为是对提供热值的GC或类似的系统的运行的“健康检查”。在步骤220中，方法200可确定适当的点火所需的能量。这可被认为是默认的热 值。如所讨论的，默认的热值可对应于燃气涡轮机的试车期间所消耗的燃料。默认热值典 型地储存在操作燃气涡轮机并且可执行方法200的实施例的控制系统内。在步骤230中，方法200可结合点火算法。此处，方法200可将步骤210的测得的 热值与步骤220的默认热值进行比较。在步骤MO中，方法200可用此对比的结果来确定 所需的燃料的质量流率。在步骤250中，方法200可确定允许燃料系统将所需的质量流率输送至燃烧系统 必要的所需阀位置。然后，方法200可调节阀至该位置。此处，方法200的实施例可使用不 同的方法来移动阀。第一方法利用阀的上游燃料的压力。第二方法利用闭环流方法，如在 下文的图3中的步骤310至步骤330所描述。第一方法可被认为是已知的常规方法。此方法200利用作为上游燃料压力的函数 的阀的储存流的特性。此处，方法200可结合将上游的燃料压力和能够将提供所需的燃料 的质量流率的阀的位置相关联的查询表或类似物。图3是图示了根据本发明的一个备选实施例控制点火模式的方法300的框图。方法300的初始步骤(步骤210至步骤M0)可类似于图2中描述的同样的步骤。因此，本讨 论将集中在用来移动阀的第二方法上。此第二方法可利用闭环方法来实施图2的步骤250。 此第二方法可根据可为燃料系统的部件的质量流率传感器的反馈来定位阀。在步骤310中，方法300可首先将阀移动至基于默认的反馈值的位置。例如但不 限于，此处燃料流量可为非常低。为了避免阀位置的大范围变动，方法300可首先设定基于 最后存储的流率的默认值。在步骤320中，方法300可测量通过阀流至燃烧系统的燃料的当前的质量流率，如 步骤330中所图示。在本发明的一个实施例中，质量流率测量装置，例如但不限于计量器， 其可定位在上游并且邻近燃烧系统的燃料歧管。在本发明的一个备选实施例中，燃料系统 可包括测量歧管压力的压力传感器等。此处，方法300可计算基于歧管压力的实际燃料流量。关于测得的流率的数据可发送至可确定所需的流率和实际流率之间的差异的算 法或类似物。接着，方法300可以以减少该差异为目标而调整阀的位置。在本发明的一个 实施例中，方法300可继续此闭环过程直到点火模式完成。如所讨论的，本发明的实施例可优化与涡轮机械的启动相关联的点火模式。本发 明的实施例可显著地增大与在快速启动运行下启动涡轮机械相关联的可信度。本领域中的技术人员将领会的是，上文结合若干示例实施例描述的多个不同的特 性和构造还可选择性地应用，从而形成本发明的其它可能的实施例。尽管所有组合和可能 的实施例由所附若干权利要求包括或否则意在成为本申请的一部分，但本领域中的技术人 员还将领会未提供或详细讨论本发明的所有可能的迭代。另外，从上文的本发明的若干示 例实施例的描述，本领域中的技术人员将认识到改进、改变和修改。本领域中的技术人员做 出的此类改进、改变和修改也意在由所附权利要求覆盖。另外，应领会的是上述部分仅涉及 本申请的已描述的实施例，并且本文可做出众多的改变和修改，而不脱离由上文的权利要 求及其等价物限定的本申请的精神和范围。
权利要求
1.一种在涡轮机械(100)的启动过程期间控制流至燃烧系统(120)的燃料的方法 (200，300)，所述方法(200,300)包括提供涡轮机械(100)，其包括压缩机段(120)、燃料系统(160)、燃烧系统(120)和排 气段(145)；确定所述燃烧系统(120)的点火过程所需的能量的量；确定由所述燃烧系统(120)消耗的燃料的热值；其中所述燃料系统(160)将所述燃料 输送至所述燃烧系统(120)；利用点火算法(230)来确定所述燃料的所需的质量流率；其中所述点火算法(230)将 关于所述点火过程所需的能量的所述量的数据和关于所述燃料的所述热值的数据进行比 较；以及利用关于所述燃料的所述所需的质量流率的数据来定位所述燃料系统的阀；其中所述 阀允许所述燃料从所述燃料系统流至所述燃烧系统(120)，以在所述点火过程中使用； 其中所述方法000，300)自动补偿所述燃料的所述热值上的改变。
2.根据权利要求1所述的方法000，300)，其特征在于，确定所述燃料的所述热值的所 述步骤(210)在所述涡轮机械(100)处于关机过程期间发生。
3.根据权利要求2所述的方法000，300)，其特征在于，确定所述燃料的所述热值的所 述步骤(210)利用算法来计算所述燃料的所述热值；并且其中所述算法接收关于下列项目 的数据由所述燃烧系统(120)摄入的空气的质量流率和温度； 由所述燃料系统(160)输送的所述燃料的质量流率和温度； 流经所述排气段(145)的排放的排气温度； 由所述涡轮机械(100)经历的热损失；以及 由所述涡轮机械(100)产生的能量。
4.根据权利要求2所述的方法000，300)，其特征在于，确定所述燃料的所述热值的所 述步骤(210)包括接收来自所述燃料系统(160)的装置的关于所述热值的数据。
5.根据权利要求2所述的方法000，300)，其特征在于，所述方法还包括如果第二热值 不同于第一热值，则提供通知。
6.根据权利要求1所述的方法000，300)，其特征在于，利用所述燃料的所述所需的质 量流率来定位所述燃料系统的阀的所述步骤(250)利用了包括以下步骤的开环控制方法 (200,300)接收关于所述阀的上游的所述燃料的压力的数据；以及利用所述压力和阀定位算法来确定所述阀的位置，所述位置允许所述燃料系统(160) 输送所述燃料的所述需求的质量流率。
7.根据权利要求1所述的方法000，300)，其特征在于，利用所述燃料的所述所需的质 量流率来定位所述燃料系统(160)的阀的所述步骤(250)利用了包括以下步骤的闭环控制 方法确定所述燃料的所述所需的质量流率与所述燃料的实际质量流率之间的差异；以及 在减少所述差异的方向上调节所述阀。
8.根据权利要求7所述的方法000，300)，其特征在于，所述燃料的所述实际质量流率由燃料系统计量器来确定。
9.一种为加强与燃气涡轮机的(100)启动过程相关联的点火过程而构造的系统，所述 系统包括燃气涡轮机(100)，其包括压缩机段(110)、燃料系统(160)、燃烧系统(120)和排气 段(145)；以及适于控制所述燃气涡轮机(100)的控制系统(190)，其中所述控制系统(190)执行下列步骤接收关于用于所述燃烧系统(120)的点火过程的燃料的默认热值的数据； 当所述燃气涡轮机(100)正在关机时，确定由所述燃烧系统消耗的所述燃料的实际热 值；其中所述燃料系统(160)将所述燃料输送至所述燃烧系统(120)；利用点火算法(230)来确定输送至所述燃烧系统(120)的所述燃料的所需的质量流 量；其中所述点火算法(230)将关于所述燃料的所述默认热值的数据与关于所述燃料的所 述实际热值的数据进行比较；利用关于所述燃料的所述所需的质量流率的数据来调整所述燃油系统(160)的阀的 行程；其中所述阀允许所述燃料从燃料系统(160)流至燃烧系统(120)，从而在点火过程中 使用；以及在确定所述燃料的所述热值已改变之后，自动调整所述所需的质量流率。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，确定所述燃料的所述热值的所述步骤 (210)利用算法来计算的所述燃料的所述热值；并且其中所述算法接收关于下列项目的数 据由所述燃烧系统(120)摄入的空气的质量流率和温度； 由所述燃料系统(160)输送的所述燃料的质量流率和温度； 流经所述排气段(145)的所述空气的排气温度； 由所述燃气涡轮机(100)所经历的热损失的量值；以及 由所述燃气涡轮机(100)所产生的能量的量值。
全文摘要
本发明涉及控制至涡轮机械的燃料流的方法，具体而言，本发明的一个实施例应用基于物理的方法来确定强健的点火模式所需的燃料的质量流率。此方法使用闭环控制方法(200，300)。此处，涡轮机控制系统(190)接收多个运行数据。该涡轮机控制系统(190)利用将能量平衡应用于接收到的运行数据的至少一种算法。运行数据可包括但不限于空气流数据、来自燃料系统(160)的数据、涉及轴功的数据、排气数据和涉及热损失的数据。此能量平衡用于确定所需的质量流率。
文档编号F02C9/28GK102108901SQ20101061836
公开日2011年6月29日 申请日期2010年12月23日 优先权日2009年12月23日
发明者D·S·拜尔德, J·R·劳 申请人:通用电气公司