用于燃气涡轮的调节和控制系统、计算机程序产品及方法
【专利摘要】本发明涉及用于燃气涡轮的调节和控制系统、计算机程序产品及方法。具体而言，各种实施例包括一种系统，其具有：至少一个计算装置(814)，该计算装置配置成通过执行包括以下项的动作来调节成组燃气涡轮(GT)(10)：基于对于各个GT(10)的测得的环境条件命令成组GT(10)中的各个GT(10)至基本负载水平；命令成组GT(10)中的各个GT(10)调整相应的燃料流以匹配标称燃料流值，且随后测量对于各个GT(10)的实际排放值；以及基于相应的测得的实际排放值与环境条件下的标称排放值之间的差异调整成组GT(10)中的各个GT(10)的操作条件。
【专利说明】用于燃气涡轮的调节和控制系统、计算机程序产品及方法
[0001]相关申请的交叉引用
本申请涉及共同未决的美国专利申请第14/546498号、美国专利申请第14/546504号、美国专利申请第14/546512号、美国专利申请第14/546520号，以及美国专利申请第14/546491号，全部在2014年11月18日提交。本申请还涉及共同未决的美国专利申请第14/686136号、美国专利申请第14/686145号、美国专利申请第14/686151号、美国专利申请第14/686157号、美国专利申请第14/686164号、美国专利申请第14/686171号、美国专利申请第14/686183号、美国专利申请第14/686193号，以及美国专利申请第14/686201号，全部与本申请在2015年4月14日同时提交。
技术领域
[0002]本文公开的主题涉及调节和控制系统。更具体而言，本文公开的主题涉及用于燃气涡轮的调节和控制系统。
【背景技术】
[0003]至少一些已知的燃气涡轮发动机包括监测和控制其操作的控制器。已知的控制器使用发动机的操作参数管理燃气涡轮发动机的燃烧系统和燃气涡轮发动机的其它操作方面。至少一些已知的控制器接收指示燃气涡轮发动机的当前操作状态的操作参数，通过基于物理的模型或传递函数限定操作边界，且将操作参数应用于操作边界模型。此外，至少一些已知的控制器还将操作参数应用于调度算法，确定误差项，以及通过调整一个或多个燃气涡轮发动机控制效果器来控制边界。然而，至少一些操作参数可为未测量的参数，诸如使用传感器测量可能不切实际的参数。此类参数中的一些包括点火温度(即，I级涡轮导叶出口温度)、燃烧器出口温度和/或涡轮I级喷嘴入口温度。
[0004]至少一些已知的燃气涡轮发动机控制系统使用测得的参数(诸如压缩机入口压力和温度、压缩机出口压力和温度、涡轮排气压力和温度、燃料流和温度、环境条件和/或发电机功率)来间接地控制或监测未测量得出操作参数。然而，间接参数的值中存在不确定性，且相关联的燃气涡轮发动机可能需要调节来减少燃烧动态和排放。由于未测量的参数的不确定性，故设计裕度可用于包括此类已知控制系统的燃气涡轮发动机。使用此类设计裕度可降低一些操作条件下的燃气涡轮发动机的性能，以图避免和适应最坏情况的操作边界。然而，一些此类已知的控制系统可能不准确地估计燃气涡轮发动机的点火温度或排气温度，这可导致不太有效的发动机和具有一个以上的燃气涡轮发动机的设施中从机器到机器的变化。
[0005]对于工业燃气涡轮减小从机器到机器的点火温度的变化已证明是困难的。例如，点火温度为许多不同变量的函数，包括燃气涡轮的构件及其组件中的变化。这些变化归因于燃气涡轮部分的制造、安装和组装中必需的公差。此外，用于测量燃气涡轮的操作参数的控制器和传感器包含其测量结果中的一定量的不确定性。其为用来感测测得的操作参数的值和机器构件变化的测量系统中的不确定性，机器构件变化必然导致燃气涡轮发动机的未测量的操作参数的变化，诸如点火温度。这些固有的不准确性的组合使得难以在已知的一组环境条件下实现燃气涡轮发动机的设计点火温度，且导致从机器到机器的点火温度变化。
【发明内容】
[0006]各种实施例包括一种系统，其具有:至少一个计算装置，其配置成通过执行包括以下项的动作来调节成组燃气涡轮(GT):基于对于各个GT的测得的环境条件命令成组GT中的各个GT至基本负载水平;命令成组GT中的各个GT调整相应的燃料流以匹配标称燃料流值，且随后测量对于各个GT的实际排放值；以及基于相应的测得的实际排放值与环境条件下的标称排放值之间的差异调整成组GT中的各个GT的操作条件。
[0007]第一方面包括一种系统，其具有:至少一个计算装置，其配置成通过执行包括以下项的动作来调节成组燃气涡轮(GT):基于对于各个GT的测得的环境条件命令成组GT中的各个GT至基本负载水平;命令成组GT中的各个GT调整相应的燃料流以匹配标称燃料流值，且随后测量对于各个GT的实际排放值；以及基于相应的测得的实际排放值与环境条件下的标称排放值之间的差异调整成组GT中的各个GT的操作条件。
[0008]第二方面包括一种具有程序代码的计算机程序产品，其在由至少一个计算装置执行时，引起至少一个计算装置通过执行包括以下项的动作来调节成组燃气涡轮(GT):基于对于各个GT的测得的环境条件命令成组GT中的各个GT至基本负载水平;命令成组GT中的各个GT调整相应的燃料流以匹配标称燃料流值，且随后测量对于各个GT的实际排放值；以及基于相应的测得的实际排放值与环境条件下的标称排放值之间的差异调整成组GT中的各个GT的操作条件。
[0009]第三方面包括一种使用至少一个计算装置执行的调节成组燃气涡轮(GT)的计算机实施的方法，该方法包括:基于对于各个GT的测得的环境条件命令成组GT中的各个GT至基本负载水平;命令成组GT中的各个GT调整相应的燃料流以匹配标称燃料流值，且随后测量对于各个GT的实际排放值；以及基于相应的测得的实际排放值与环境条件下的标称排放值之间的差异调整成组GT中的各个GT的操作条件。
[00?0]技术方案1.一种系统，包括:
至少一个计算装置，其配置成通过执行包括以下项的动作来调节成组燃气涡轮(GT): 基于对于各个GT的测得的环境条件命令成组GT中的各个GT至基本负载水平；
命令所述成组GT中的各个GT调整相应的燃料流以匹配标称燃料流值，且随后测量对于各个GT的实际排放值;以及
基于相应的测得的实际排放值与所述环境条件下的标称排放值之间的差异调整所述成组GT中的各个GT的操作条件。
技术方案2.根据技术方案I所述的系统，其中，所述基本负载水平与对于所述测得的环境条件的燃料流值和排放值相关联。
[0011]技术方案3.根据技术方案I所述的系统，其中，响应于命令所述成组GT中的各个GT至所述基本负载水平，各个GT并未达到所述标称燃料流值或所述标称排放值中的至少一者。
技术方案4.根据技术方案I所述的系统，其中，所述至少一个计算装置进一步配置成将对于各个GT的所述相应的测得的实际排放值与所述标称排放值之间的差异转换成对于各个GT的所述环境条件下的相应的燃料流值与标称燃料流值之间的差异。
[0012]技术方案5.根据技术方案4所述的系统，其中，调整各个GT的所述操作条件的过程包括将所述成组GT中的各个GT的所述操作条件调整所述相应燃料流值与所述标称燃料流值之间的差异的固定分数，使得各个GT的所述燃料流接近且然后达到相应的标称燃料流值。
技术方案6.根据技术方案5所述的系统，其中，将所述成组GT中的各个GT的操作条件调整相应燃料流值与标称燃料流值之间的差异的固定分数使各个GT排列在绘出燃料流对排放的图形空间中的线上，其正交于对于所述各个GT的标称燃料流/标称排放特征。
技术方案7.根据技术方案I所述的系统，其中，命令所述成组GT中的各个GT调整相应燃料流以匹配所述标称燃料流值使各个GT的实际排放值更接近所述标称排放值而不匹配所述标称排放值。
[0013]技术方案8.—种包括程序代码的计算机程序产品，其在由至少一个计算装置执行时，引起所述至少一个计算装置通过执行包括以下项的动作来调节成组燃气涡轮(GT):
基于对于各个GT的测得的环境条件命令所述成组GT中的各个GT至基本负载水平；命令所述成组GT中的各个GT调整相应的燃料流以匹配标称燃料流值，且随后测量对于各个GT的实际排放值;以及
基于相应的测得的实际排放值与所述环境条件下的标称排放值之间的差异调整所述成组GT中的各个GT的操作条件。
[0014]技术方案9.根据技术方案8所述的计算机程序产品，其中，所述基本负载水平与对于所述测得的环境条件的燃料流值和排放值相关联。
[0015]技术方案10.根据技术方案8所述的计算机程序产品，其中，响应于命令所述成组GT中的各个GT至所述基本负载水平，各个GT并未达到所述标称燃料流值或所述标称排放值中的至少一者。
技术方案11.根据技术方案8所述的计算机程序产品，其中，所述计算机程序产品在执行时引起所述至少一个计算装置将对于各个GT的所述相应的测得的实际排放值与所述标称排放值之间的差异转换成对于各个GT的在所述环境条件下的相应的燃料流值与标称燃料流值之间的差异。
[0016]技术方案12.根据技术方案11所述的计算机程序产品，其中，调整各个GT的所述操作条件的过程包括将所述成组GT中的各个GT的操作条件调整所述相应燃料流值与所述标称燃料流值之间的差异的固定分数，使得各个GT的所述燃料流接近且然后达到相应的标称燃料流值。
技术方案13.根据技术方案12所述的计算机程序产品，其中，将所述成组GT中的各个GT的操作条件调整所述相应燃料流值与所述标称燃料流值之间的差异的固定分数使各个GT排列在绘出燃料流对排放的图形空间中的线上，其正交于各个GT的标称燃料流/标称排放特征。
[0017]技术方案14.根据技术方案8所述的计算机程序产品，其中，命令所述成组GT中的各个GT调整相应燃料流以匹配所述标称燃料流值使对于各个GT的实际排放值更接近所述标称排放值，而不匹配所述标称排放值。
[0018]技术方案15.—种使用至少一个计算装置执行的调节成组燃气涡轮(GT)的计算机实施的方法，所述方法包括:
基于对于各个GT的测得的环境条件命令所述成组GT中的各个GT至基本负载水平；命令所述成组GT中的各个GT调整相应的燃料流以匹配标称燃料流值，且随后测量对于各个GT的实际排放值;以及
基于相应的测得的实际排放值与所述环境条件下的标称排放值之间的差异调整成组GT中的各个GT的操作条件。
技术方案16.根据技术方案15所述的方法，其中，所述基本负载水平与对于所述测得的环境条件的燃料流值和排放值相关联。
[0019]技术方案17.根据技术方案16所述的方法，其中，响应于命令所述成组GT中的各个GT至所述基本负载水平，各个GT并未达到所述标称燃料流值或所述标称排放值中的至少一者O
[0020]技术方案18.根据技术方案17所述的方法，其中，所述方法还可包括将对于各个GT的所述相应的测得的实际排放值与各个GT的所述标称排放值之间的差异转换成对于各个GT的所述环境条件下的相应的燃料流值与标称燃料流值之间的差异。
[0021]技术方案19.根据技术方案18所述的方法，其中，调整各个GT的所述操作条件的过程包括将所述成组GT中的各个GT的操作条件调整所述相应燃料流值与所述标称燃料流值之间的差异的固定分数，使得各个GT的所述燃料流接近且然后达到相应的标称燃料流值，
其中将所述成组GT中的各个GT的所述操作条件调整所述相应燃料流值与所述标称燃料流值之间的差异的固定分数使各个GT排列在绘出燃料流对排放的图形空间中的线上，其正交于各个GT的标称燃料流/标称排放特征。
[0022]技术方案20.根据技术方案15所述的方法，其中，命令所述成组GT中的各个GT调整相应燃料流以匹配所述标称燃料流值使对于各个GT的实际排放值更接近所述标称排放值，而不匹配所述标称排放值。
【附图说明】
[0023]本发明的这些及其它特征从连同附图对本发明的各种方面的以下详细描述中将更容易理解，附图绘出了本发明的各种实施例，在附图中:
图1示出了根据本发明的各种实施例的包括控制系统的燃气涡轮发动机(GT)的简图。
[0024]图2示出了根据本发明的各种实施例的可结合图1的控制系统使用以控制GT的操作的控制架构的示意图。
[0025]图3示出了使用由图1的控制系统使用的GT的模型对图1的统计上较大数目的GT发动机的操作状态的概率模拟的图解示图。
[0026]图4示出了显示根据本发明的各种实施例的方法的流程图。
[0027]图5在二维燃料流对排放(NOx)的图表中示出了图4的流程图中所示的过程的图解示图。
[0028]图6在二维燃料流对排放(NOx)的图表中示出了图4的流程图中所示的过程的图解示图。
[0029]图7在三维燃料流对排放(NOx)对点火温度(T4)的图表中示出了图4的流程图中所示的过程的图解示图。
[0030]图8示出了根据本发明的各种实施例的包括控制系统的示范性环境。
[0031]将注意本发明的附图不一定按比例。附图意在仅绘出本发明的典型方面，且因此不应认作是限制本发明的范围。在附图中，相似的标号表示附图之间的相似元件。
[0032]零件清单 I涡轮级
2过程
10燃气涡轮发动机(GT)
12压缩机 14燃烧器
16涡轮;cc设备负载监测系统 18控制器;控制系统 20管道;入口管道 21入口导向导叶(IGV)
22排气管道 24发电机
26控制传感器;冗余控制传感器;冗余温度控制传感器;温度控制传感器
27涡轮控制促动器;燃料促动器
28燃料控制系统
29涡轮控制促动器;促动器
48输入操作参数;参数
50标称点火温度;设计点火温度
52点火温度
54校正因数
56 mbc模块;控制mbc模块
58 ares模块;发动机模拟(ARES)模块
60操作参数
62排出气体温度;排气温度 64点火温度 66点火温度
68输入排气温度校正因数;排气温度校正因数
70比较器
74比较器
122处理构件
124储存构件
126 i/o构件;输入/输出(i/o)构件 128通路;通彳目通路 132模块 136用户
138cs
200控制架构
300线
302线
304线
306线
308数据点
428标称操作状态
802示范性环境;系统
814计算装置
836用户。
【具体实施方式】
[0033]如上文所述，本文公开的主题涉及调节和控制系统。更具体而言，本文公开的主题涉及用于燃气涡轮的调节和控制系统。
[0034]随机控制是用于基于测得的燃料流(例如，为体积流率或质量流率，诸如升每秒或千克每秒)和共同称为NOx排放的单氮氧化物NO和NO2 (一氧化氮和二氧化氮)来设置燃气涡轮(GT)的操作状态的方法。如本文所述，各种实施例提供了GT的调节和控制，其中存在NOx测量的误差。存在用以计算和调节控制机制的常规途径，其中存在测量误差，但没有设计成特别考虑到燃料流和NOx测量结果来解决和调节GT控制功能的常规途径。
[0035]如本文使用的用语P50GT或P50机器是指平均(或标称)的燃气涡轮或机组中的类似机器。与该P50测量相关联的参数认为是理想的，且很少(如果有)在实际的燃气涡轮中达至IJ。本文使用的其它用语可包括:a)点火温度(T4)，其为第一级喷嘴下游但在涡轮(例如，GT)中的第一旋转轮叶上游的平均温度；以及b)T3.9，其为燃气涡轮中的点火温度，且高于点火温度。如本领域中已知，点火温度不可测量，而是从其它测量结果和已知参数推断。如本文使用的用语"指示的点火温度"是指由控制设备的一个或多个构件指示的点火温度，例如，监测和/或控制GT构件的控制系统。〃指示〃的点火温度代表来自与GT控制系统连接的常规感测/测试设备的点火温度的最佳估计。
[0036]此外，如本文所述，用于特定燃气涡轮的用语"基本负载"可表示在额定点火温度下的燃气涡轮的最大输出。此外，如本文所述和在本领域中已知那样，对于给定燃气涡轮的基本负载将基于环境操作条件的变化而变化。有时，基本负载在本领域中称为〃全速满载〃。此外，将理解的是，NOx对燃料成分敏感，且因此，其为燃气涡轮中进行的任何调节过程(包括本文所述的调节过程)的原因。
[0037]此外，如本文使用的用语"燃料流"是指进入GT的燃烧室的燃烧燃料的流动特征(例如，速度、体积等)。该燃料流与流过GT的燃烧气体的量直接相关，且可与其它操作参数(例如，功率输出)关联。
[0038]本文所述的各种实施例允许使用GT的燃料流和排放参数对GT(例如，两个或多个GT的机组)的随机控制。由于某些系统构造，特定参数可在GT的随机控制中更有效。例如，在GT为单轴发电系统(例如，其中GT在单个轴上与蒸汽涡轮(ST)联接)的一部分的情况中，将GT的输出(功率输出)与ST的输出隔离可能不实际(或极为困难)。在此情况下，使用功率输出作为参数在该GT(和/或单轴GT的机组)上执行随机控制可能无效。在这些情况中，本文所述的途径可能有用，例如，其中燃料流用作控制参数。燃料流可对于多轴构造中的GT准确测量，而不考虑与该GT联接的ST。
[0039]根据各种实施例，一种途径可包括以下过程:
1)基于测得的环境条件命令一个或多个燃气涡轮(例如，机组中)至设计的基本负载(MW值、NOx值、燃料流值)ο如本文描述的那样，在理想情形中，GT在理想情况中应当收敛至P50(标称)操作参数，包括P50燃料流(标称燃料流)值和P50 NOx(排放)值。然而，如本文指出的那样，这并不在现实操作中发生；
2)命令该一个或多个GT调整其燃料流以匹配标称燃料流(P50燃料流)值，且测量实际NOx值。如本文提到的那样，该过程将可能有助于使各个GT实际NOx值更接近P50 NOx值，但在此目标中并未完全成功。此外，该燃料流调整并未解决另一个问题，其为关于其期望水平的升高点火温度；以及
3)基于其在测得的实际NOx值(过程2)与环境条件下的预计P50NOx值之间的差异(Delta NOx)调整各个GT的操作状态。对于各个GT，可使用常规途径将Delta NOx值转化成Delta燃料流值(代表GT的实际燃料流与P50燃料流水平下的燃料流之间的差异)。在此过程中，偏离P50燃料流值的各个GT使其操作条件由De I ta燃料流值(从Del ta NOx值转换)的固定分数调整，使得其接近且然后达到该GT的Delta燃料流值。该调整将使各个GT移动到燃料流/NOx空间中的线，其正交于该GT的P50燃料流/P50 NOx的特征。上述总体过程在本文中进一步详细描述。
[0040]在以下描述中，将参照附图，附图形成该描述的一部分，且其中通过图示示出了可实施本教导内容的特定示例性实施例。足够详细地描述了这些实施例，以允许本领域的技术人员能够实施本教导内容，且将理解，在不脱离本教导内容的范围的情况下，可使用其它实施例且可作出变化。因此，以下描述仅为示范性的。
[0041]图1示出了根据各种实施例的包括控制系统18的燃气涡轮发动机(GT)1的简图。在各种实施例中，燃气涡轮发动机10包括压缩机12、燃烧器14、传动地联接至压缩机12的涡轮16，以及计算机控制系统或控制器18。压缩机12的入口管道20将环境空气且在一些情况中将喷射水导送至压缩机12。管道20可包括管道、过滤器、筛或吸音装置，其促成流过入口管道20且流入压缩机12的入口导向导叶(IGV)21中的环境空气的压力损失。来自燃气涡轮发动机10的燃烧气体引导穿过排气管道22。排气管道22可包括吸音材料和排放控制装置，其引起燃气涡轮发动机10的背压。由于构件添加到入口管道20和排气管道22和/或由于灰尘或污垢分别堵塞入口导向导叶20和排气管道22，入口压力损失和背压的量可随时间变化。在各种实施例中，燃气涡轮发动机10驱动发电机24，发电机24产生电功率。
[0042]描述了各种实施例，其测量、分析和/或控制成组的GT，其可包括一个或多个燃气涡轮发动机(GT)，例如，在机组中。将理解的是，这些途径如两个或多个GT那样类似地应用于单个GT。还将理解的是，如本文使用的用语〃组〃可意味着I个或多个。
[0043]在各种实施例中，多个控制传感器26在燃气涡轮发动机10的操作期间检测燃气涡轮发动机10的各种操作条件、发电机24和/或周围环境。在许多情况中，多个冗余控制传感器26可测量同样的操作条件。例如，成组的冗余温度控制传感器26可监测环境温度、压缩机排放温度、涡轮排出气体温度和/或穿过燃气涡轮发动机10的气流(未示出)的其它操作温度。类似地，其它冗余压力控制传感器26的组可监测环境压力、压缩机12处的静态和动态压力水平、涡轮16排气，和/或燃气涡轮发动机10中的其它参数。控制传感器26可包括而不限于流量传感器、压力传感器、速度传感器、火焰探测器传感器、阀位置传感器、导向导叶角度传感器和/或可用于感测燃气涡轮发动机10的操作期间的各种操作参数的任何其它装置。
[0044]如本文使用的用语"参数"是指可用于限定燃气涡轮发动机10的操作条件的特征，诸如在燃气涡轮发动机10内的限定位置处的温度、压力和/或气流。一些参数被测量(S卩，感测)且直接已知，而其它参数通过模型计算，且因此为估计的且间接知道。一些参数可初始地由用户输入到控制器18。测得的、估计的或用户输入的参数代表燃气涡轮发动机10的给定操作状态。
[0045]燃料控制系统28调节从燃料供应(未示出)到燃烧器14的燃料流的量、主燃料喷嘴与副燃料喷嘴(未示出)之间的分流的量，以及与流入燃烧器14中的次级空气混合的量。燃料控制系统28还可选择燃烧器14中使用的燃料的类型。燃料控制系统28可为单独的单元，或可为控制器18的构件。
[0046]控制器(控制系统18)可为包括至少一个处理器(未示出)和至少一个存储器装置(未示出)的计算机系统，其执行操作来至少部分地基于控制传感器26输入和来自人工操作员的指令控制燃气涡轮发动机10的操作。例如，控制器可包括燃气涡轮发动机10的模型。由控制器18执行的操作可包括感测或模拟操作参数、模拟操作边界、应用操作边界模型，或应用调度算法，该算法控制燃气涡轮发动机10的操作，诸如通过调节至燃烧器14的燃料流。控制器18将燃气涡轮发动机10的操作参数与操作边界模型或由燃气涡轮发动机10使用的调度算法相比较，以生成控制输出，诸如而不限于点火温度。由控制器18生成的命令可引起燃气涡轮发动机10上的燃料促动器27有选择地调节燃料流、燃料分流和/或在燃料供应与燃烧器14之间导送的燃料的类型。可生成其它命令以引起促动器29调整IGV 21的相对位置、调整入口放出热，或触动燃气涡轮发动机10上的其它控制设置。
[0047]操作参数大体上指出了燃气涡轮发动机10的操作条件，诸如燃气涡轮发动机10的限定位置处和给定操作状态下的温度、压力和气流。一些操作参数被监测(即，感测)且直接已知，而其它操作参数由模型估计且间接已知。估计或模拟的操作参数也可称为估计的操作参数，且例如可包括而不限于点火温度和/或排气温度。操作边界模型可由燃气涡轮发动机10的一个或多个物理边界限定，且因此可代表各个边界处的燃气涡轮发动机10的最佳条件。此外，操作边界模型可独立于任何其它边界或操作条件。调度算法可用来确定涡轮控制促动器27、29的设置，以引起燃气涡轮发动机10在预定限制内操作。通常，调度算法防止最坏情况的情形，且具有基于某些操作状态的嵌入假设。边界控制为控制器(诸如控制器18)通过其能够调整涡轮控制促动器27、29以引起燃气涡轮发动机10在优选状态下操作的过程。
[0048]图2示出了示例性控制架构200的示意图，控制架构200可结合控制器18(图1中所示)使用来控制燃气涡轮发动机10(图1中所示)的操作。更具体而言，在各种实施例中，控制架构200在控制器18中实施，且包括基于模型的控制(MBC)模块56 JBC模块56为燃气涡轮发动机10的稳健的高保真度基于物理的模型。MBC模块56接收测得的条件作为输入操作参数48。此参数48可包括而不限于环境压力和温度、燃料流和温度、入口放出热，和/或发电机功率损失。MBC模块56将输入操作参数48应用于燃气涡轮模型，以确定标称点火温度50(或标称操作状态428) JBC模块56可在允许如本文所述的控制架构200和燃气涡轮发动机10的操作的任何平台中实施。
[0049]此外，在各种实施例中，控制架构200包括自适应实时发动机模拟(ARES)模块58，其估计燃气涡轮发动机10的某些操作参数。例如，在一个实施例中，ARES模块58估计不直接感测的操作参数，诸如用于控制算法中的由控制传感器26生成的那些。ARES模块58还估计测量的操作参数使得可比较估计和测得的条件。比较用于自动地调节ARES模块58，而不中断燃气涡轮发动机10的操作。
[0050]ARES模块58接收输入操作参数48，诸如但不限于，环境压力和温度、比较器入口导向导叶位置、燃料流、入口放出热流、发电机功率损失、入口和排气管道压力损失，和/或压缩机入口温度。ARES模块58然后生成估计的操作参数60，诸如但不限于排出气体温度62、压缩机排放压力和/或压缩机排放温度。在各种实施例中，ARES模块58使用与输入操作参数48结合的估计的操作参数60作为到燃气涡轮模型的输入以生成输出，例如，诸如计算的点火温度64。
[0051]在各种实施例中，控制器18接收计算的点火温度52作为输入。控制器18使用比较器70来将计算的点火温度52与标称点火温度50相比较，以生成校正因数54。校正因数54用于调整MBC模块56中的标称点火温度50以生成校正的点火温度66。控制器18使用比较器74来比较来自ARES模块58的控制输出和来自MBC模块56的控制输出以生成不同的值。该不同值然后输入卡尔曼滤波器增益矩阵(未示出)中，以生成标准化的校正因数，其被供应至控制器18以用于继续调节ARES模块58的控制模型，因此便于燃气涡轮发动机10的增强控制。在备选实施例中，控制器18接收排气温度校正因数68作为输入。排气温度校正因数68可用于调整ARES模块58中的排气温度62。
[0052]图3为示出使用由控制器18使用的燃气涡轮发动机的模型对图1的燃气涡轮发动机10的统计上较大数目的操作状态的概率模拟的图表。图表代表功率输出对燃气涡轮发动机10的点火温度。线300为多个数据点308的线性回归模型。线302代表对应于数据点308的99%预测区间。此外，线304代表对于燃气涡轮发动机10的标称或设计点火温度50，且线306代表对于燃气涡轮发动机10的标称或设计功率输出。在各种实施例中，图3中所示的概率模拟示出了 80个单元的点火温度的近似变化。该变化可归因于燃气涡轮发动机10的构件公差，以及控制器18和控制传感器26的测量不确定性。
[0053]本文描述了用于调节燃气涡轮发动机10的途径，其便于减小实际燃气涡轮发动机10操作状态(例如，点火温度和/或排气温度)中的变化，其便于减小燃气涡轮发动机10的功率输出、排放和寿命的变化。本文所述的随机控制途径可实施为在安装期间和各种阶段调节燃气涡轮发动机10的离散过程，或可在控制器18内实施以在燃气涡轮发动机10的操作期间以预定间隔定期地和/或连续地运行。如之前论述的那样，这些途径并未直接地测量燃气涡轮点火温度，因为点火温度为估计的参数。然而，这些随机控制途径可直接地产生测得的参数，其为燃气涡轮发动机10的点火温度的强指示物，且允许越过燃气涡轮发动机10中的点火温度的改善控制。
[0054]图4示出了显示根据各种实施例执行的方法的流程图。如本文所述，该方法可使用至少一个计算装置执行(进行)，实施为计算机程序产品(例如，非暂时性计算机程序产品)，或另外包括以下过程:
过程Pl:基于各个GT 10的测得的环境条件命令成组GT中的各个GT 10至基本负载水平(例如，目标指出的点火温度)。如本文所述，基本负载(具有目标指出的点火温度)与对于测得的环境条件的燃料流值和排放值相关联。如本文进一步所述，响应于命令成组GT中的各个GT 10至基本负载水平，各个GT 10并未达到标称燃料流值(P50燃料流)或标称排放值(P50 NOx)中的至少一者。根据各种实施例，命令成组GT中的各个GT 10调整相应燃料流来匹配标称燃料流值的过程使各个GT 10的实际排放值更接近标称排放值，而不匹配标称排放值；
过程P2:命令成组GT中的各个GT 10调整相应的燃料流来匹配标称燃料流值，以及随后测量各个GT 10的实际排放值。在各种实施例中，过程P2还可包括将相应的测得的实际排放值与各个GT 10的标称排放值之间的差异转换成各个GT 10的环境条件值下的相应的燃料流值与标称燃料流值之间的差异；以及
过程P3:基于相应的测得的实际排放值与环境条件下的标称排放值之间的差异调整成组GT中的各个GT 10的操作条件。根据各种实施例，调整各个GT 10的操作条件的过程包括将成组GT中的各个GT 10的操作条件调整相应燃料流值与标称燃料流值之间的差异的固定分数，使得各个GT 10的燃料流接近且然后达到相应的标称燃料流值。根据各种实施例，将成组GT中的各个GT 10的操作条件调整相应燃料流值与标称燃料流值之间的差异的固定分数将各个GT 10排列在绘出燃料流对排放的图形空间中的线上，其正交于各个GT 10的标称燃料流/标称排放特征。
[0055]图5-图7相对于代表成组(多个)GT(类似于GT10)的示例性数据组经由燃料流对排放(NOx)的图表示出了图4中所述的过程的图解示图。图5-图6中所示的所有数据点代表指定点火温度下的燃料流对排放(NOx)，其中〃指示的〃点火温度为由GT 10的控制器显示或另外输出的点火温度。即，"指示的"点火温度不一定是实际点火温度(如本文所述，其不可准确地测量)，而是改为如由GT 10的控制器(和相关设备)估计的点火温度。
[0056]如该示例中所示，例如，在图5中，线GL的中心点为成组GT的平均点火温度(T4)的函数。平均燃烧温度(T3.9)为平均点火温度的函数，且大于平均点火温度。这里注意，随着平均点火温度升高，平均燃烧温度也将如此，意味着线GL将转移至较大的燃料流/NOx值，同时保持正交于线RL，其限定了基本负载下的组中的平均GT的燃料流/NOx特征。标为BL的两条线界定线GL，且将成组GT之间的统计变化从平均线RL限定于两个sigma( Σ )。发明人发现，通过经验测试，线BL代表实际点火温度(T4)从线RL的+ /-10度的跨度，这沿正交于线RL的给定线测得。图6示出了图5的图解示图，其中沿正交于RL(燃料流/NOx特征)和线BL的线添加了对于GT机组的不同示例性燃料流/NOx值处的平均T4(点火温度)的指示物。在该示例中，平均Τ4(Β)和平均Τ4(Ρ)分别示出了Τ4=2410华氏度和Τ4=2430华氏度下的示例性机组。图6也示出了线PL，其为沿正交于燃料流/NOx特征线的点火温度(Τ4)〃扫掠〃或变化的单个GT的示例。PL示出了燃料流/NOx如何通过改变点火温度(Τ4)变化。
[0057]图7示出了过程Ρ3(图4)的三维图解示图，S卩，基于相应的测得的实际排放值与环境条件下的标称排放值之间的差异调整成组GT中的各个GT的操作条件。即，如图7中所示，由越过点火温度(Τ4)空间的GL(图5-图6)的平面限定的GL平面示出了成组GT在点火温度(T4)空间中操作的模型。即，尽管实际点火温度(T4)不可对于成组GT中的各个GT直接地测量，但GL平面代表成组GT内的GT的点火温度的更准确的模型。根据各种实施例，过程Ρ3包括基于其相应测得的实际排放值(NOx值)与相应GT的标称(平均)排放值(NOx值)之间的差异来调整各个GT的操作条件。即，根据各种实施例，各个GT的操作条件调整成使得其燃料流/NOx值与二维空间(图5-图6)中的GL和三维空间(图7)中的GL平面相交。标称(Ρ50)燃料流/NOx线和GL平面的相交代表期望的平均实际点火温度(Ρ4)的最准确的模型，且通过将各个GT10调节至接近该GL平面，点火温度变化越过机组减小，从而延长了机组的寿命。
[0058]GL(和GL平面)为燃气涡轮如何设计和构建的特征，且在燃料流/NOx空间中，其中心在机组中的特定类型的GT 10的Ρ50燃料流和Ρ50Ν0χ的交点处。二维空间(例如，BL之间的空间，图5-图6)中的GL的长度对于给定类型的GT由GT到GT的硬件变化限定(例如，相同规格的两个机器的制造中的物理变化)。通过改变GT 10的操作条件以便使该GT 10的燃料流/NOx值与GL (和GL平面)对准，实际点火温度(Τ4)的变化最大限度减小。
[0059]图8示出了展示经由至少一个计算装置814与GT10联接的控制器(控制系统18)的示范性环境802。如本文所述，控制系统18可包括用于控制燃气涡轮发动机(GT)的任何常规的控制系统构件。例如，控制系统18可包括用于促动GT 1中的一个或多个构件的电气和/或机电构件。控制系统18可包括常规的计算机化的子构件，诸如处理器、存储器、输入/输出、总线等。控制系统18可构造成(例如，编程为)基于来自外源(例如，至少一个计算装置814)的操作条件执行功能，且/或可包括基于GT 10的参数的预先编程(编码)的指令。
[0060]系统802还可包括与控制系统18和GT10连接(例如，硬接线和/或无线)的至少一个计算装置814。在各种实施例中，如本文所述，计算装置814例如经由多个常规传感器(诸如流量计、温度传感器等)与GT 10可操作地连接。计算装置814可例如经由常规硬接线和/或无线手段与控制系统18通信地连接。控制系统18配置成根据各种实施例在操作期间监测GT 10
[0061]此外，计算装置814示为与用户836通信。例如，用户836可为程序员或操作者。这些构件与计算装置814之间的交互在本说明书的其他地方论述。
[0062]如本文提到的那样，本文所述的过程中的一个或多个可例如通过如本文所述的至少一个计算装置(诸如计算装置814)执行。在其它情况下，这些过程中的一个或多个可根据计算机实施的方法来执行。在还有其它实施例中，这些过程中的一个或多个可通过在至少一个计算装置(例如，计算装置814)上执行计算机程序代码(例如，控制系统18)来执行，弓丨起该至少一个计算装置执行过程，例如，根据本文所述的途径调节至少一个GT 10。
[0063]更详细而言，计算装置814示为包括处理构件122(例如，一个或多个处理器)、储存构件124 (例如，储存层次)、输入/输出(I/O)构件126 (例如，一个或多个I/0接口和/或装置)，以及通信通路128。在一个实施例中，处理构件122执行程序代码，诸如控制系统18，其至少部分地体现在储存构件124中。在执行程序代码时，处理构件122可处理数据，其可导致I/O构件126从储存构件124读取数据和/或I/O构件126对储存构件124写数据以用于进一步处理。通路128提供了计算装置814中的各个构件之间的通信链路。I/O构件126可包括一个或多个人工I/O装置或储存装置，其允许用户836与计算装置814和/或一个或多个通信装置交互，以允许用户136和/SCS 138使用任何类型的通信链路与计算装置814通信。为此，CC设备负载监测系统16可管理允许人和/或系统与控制系统18交互的一组接口(例如，图形用户接口、应用程序接口和/或类似的)。
[0064]在任何情况下，计算装置814可包括能够执行安装在其上的程序代码的一个或多个通用计算制品(例如，计算装置)。如本文使用的那样，将理解的是，〃程序代码〃意味着按照任何语言、代码或符号的指令的任何集合，其引起具有信息处理能力的计算装置直接地或在以下任何组合之后执行特定功能:(a)转换成另一语言、代码或符号；(b)以不同材料形式再现;和/或(C)解压。为此，CC设备负载监测系统16可体现为系统软件和/或应用软件的任何组合。在任何情况下，计算装置814的技术效果在于根据本文的各种实施例调节至少一个GT 10
[0065]此外，控制系统可使用成组的模块132来实施。在此情况下，模块132可允许计算装置814执行由控制系统18使用的一组任务，且可与控制系统18的其它部分分开单独地开发和/或实施。控制系统18可包括模块132，其包括特定用途的机器/硬件和/或软件。无论如何，将理解的是，两个或多个模块和/或系统可共用其相应的硬件和/或软件的一些/或全部。此外，将理解的是，本文所论述的一些功能可不实施，或额外的功能可包括为计算装置814的一部分。
[0066]当计算装置814包括多个计算装置时，各个计算装置均可仅具有体现在其上的控制系统18的一部分(例如，一个或多个模块132)。然而，将理解的是，计算装置814和控制系统18仅代表可执行本文所述的过程的各种可能的等同计算机系统。为此，在其它实施例中，由计算装置814和控制系统18提供的功能可至少部分由一个或多个计算装置实施，计算装置包括具有或没有程序代码的通用和/或专用硬件的组合。在各个实施例中，硬件和程序代码(如果包括)可分别使用标准工程和编程技术来创建。
[0067]无论如何，当计算装置814包括多个计算装置时，计算装置可在任何类型的通信链路上通信。此外，当执行本文所述的过程时，计算装置814可使用任何类型的通信链路与一个或多个其它计算机系统通信。在任一情况中，通信链路可包括各种类型的有线和/或无线链路的组合;包括一种或多种类型的网络的任何组合;和/或使用各种类型的传输技术和协议的任何组合。
[0068]如本文所述，控制系统18允许计算装置814控制和/或调节至少一个GT 10。控制系统18可包括用于执行本文所述的一个或多个动作的逻辑。在一个实施例中，控制系统18可包括执行上述功能的逻辑。在结构上，逻辑可采用多种形式中的任何形式，诸如现场可编程门阵列(FPGA)、微处理器、数字信号处理器、专用集成电路(ASIC)或能够执行本文所述的功能的任何其它专用机器结构。逻辑可采用多种形式中的任何形式，诸如软件和/或硬件。然而，为了示范性目的，控制系统18和包括在其中的逻辑将在本文中描述为专用机器。如将从描述中清楚那样，尽管逻辑示为包括上述功能中的各个功能，但根据如所附权利要求中叙述的本发明的教导内容，并非所有功能都是必需的。
[0069]在各种实施例中，控制系统18可配置成监测如本文所述的一个或多个GT10的操作参数。此外，控制系统18配置成命令一个或多个GT 10改变那些操作参数，以便实现如本文所述的控制和/或调节功能。
[0070]将理解的是，在本文所示和所述的流程图中，可执行其它过程，而并未示出，且过程的顺序可根据各种实施例重新布置。此外，可在一个或多个描述的过程之间执行中间过程。本文所示和所述的过程流不应看作限制各种实施例。[0071 ]在任何情况下，本发明的各种实施例(包括例如控制系统)的技术效果将控制和/或调节如本文所述的一个或多个GT 10。
[0072]在各种实施例中，描述为〃联接〃到彼此的构件可沿一个或多个接口连接。在一些实施例中，这些接口可包括不同构件之间的接合处，且在其它实施例中，这些接口可包括牢固且/或整合形成的互连。即，在一些情况中，〃联接〃到彼此的构件可同时形成为限定单个连续部件。然而，在其它实施例中，这些联接的构件可形成为单独的部件，且随后可通过已知的过程(例如，紧固、超声波焊接、粘结)连接。
[0073]当元件或层称为在另一元件或层〃上〃、与其〃接合〃、〃连接〃或〃联接〃时，其可为直接在另一元件或层上，与其直接接合、连接或联接，或可存在介入的元件或层。相比之下，当元件称为〃直接在另一个元件或层上〃、〃直接地与其接合〃、〃直接地连接到其上〃或〃直接地联接到其上"时，可能没有介入的元件或层存在。用来描述元件之间的关系的其它词语应当以类似的方式阐释(例如，〃之间〃对〃直接在之间〃、〃相邻〃对〃直接相邻〃等)。如本文使用的用语〃和/或〃包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。
[0074]本文所述的用语用于仅描述特定实施例的目地，且不意在限制本公开内容。如本文使用的单数形式〃一个〃、〃一种〃和〃该〃意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指出。还将理解的是，用语〃包括"和/或"包含"在用于此说明书中时表示指出的特征、整体、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但并未排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、构件和/或其组。
[0075]该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本发明可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构要素，则意在使这些其它示例处于权利要求的范围内。
【主权项】
1.一种系统，包括: 至少一个计算装置(814)，其配置成通过执行包括以下项的动作来调节成组燃气涡轮(GT)(1): 基于对于各个GT(1)的测得的环境条件命令所述成组GT(1)中的各个GT(1)至基本负载水平； 命令所述成组GT中的各个GT(1)调整相应的燃料流以匹配标称燃料流值，且随后测量对于各个GT (1)的实际排放值;以及 基于相应的测得的实际排放值与所述环境条件下的标称排放值之间的差异调整所述成组GT( 10)中的各个GT( 10)的操作条件。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述基本负载水平与对于所测得的环境条件的燃料流值和排放值相关联。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，响应于命令所述成组GT(10)中的各个GT(10)至所述基本负载水平，各个GT(1)并未达到所述标称燃料流值或所述标称排放值中的至少一者。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个计算装置(814)进一步配置成将对于各个GT(1)的所述相应的测得的实际排放值与所述标称排放值之间的差异转换成对于各个GT(1)的所述环境条件下的相应的燃料流值与标称燃料流值之间的差异。5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，调整各个GT(10)的操作条件包括将所述成组GT(1)中的各个GT(1)的操作条件调整所述相应燃料流值与所述标称燃料流值之间的差异的固定分数，使得各个GT(1)的所述燃料流接近且然后达到相应的标称燃料流值。6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，将所述成组GT(10)中的各个GT (10)的操作条件调整相应功率燃料流值与标称燃料流值之间的差异的固定分数使各个GT(1)排列在绘出燃料流对排放的图形空间中的线上，其正交于对于所述各个GT(1)的标称燃料流/标称排放特征。7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，命令所述成组GT(1)中的各个GT(1)调整相应燃料流以匹配所述标称燃料流值使各个GT(1)的实际排放值更接近所述标称排放值而不匹配所述标称排放值。8.—种使用至少一个计算装置(814)执行的调节成组燃气涡轮(GT)(1)的计算机实施的方法，所述方法包括: 基于对于各个GT(1)的测得的环境条件命令所述成组GT(1)中的各个GT(1)至基本负载水平； 命令所述成组GT中的各个GT(1)调整相应的燃料流以匹配标称燃料流值，且随后测量对于各个GT (1)的实际排放值;以及 基于相应的测得的实际排放值与所述环境条件下的标称排放值之间的差异调整所述成组GT( 10)中的各个GT( 10)的操作条件。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述基本负载水平与对于所测得的环境条件的燃料流值和排放值相关联。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，响应于命令所述成组GT(1)中的各个GT(10)至所述基本负载水平，各个GT(1)并未达到所述标称燃料流值或所述标称排放值中的 至少一者。
【文档编号】F02C9/28GK106050435SQ201610232577
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年4月14日 公开号201610232577.4, CN 106050435 A, CN 106050435A, CN 201610232577, CN-A-106050435, CN106050435 A, CN106050435A, CN201610232577, CN201610232577.4
【发明人】R.A.摩根, L.B.小戴维斯, S.A.戴, H.L.小乔丹
【申请人】通用电气公司