用于在瞬变期间控制燃气涡轮发动机的控制系统和方法
【专利摘要】提供了用于燃气涡轮发动机的控制系统和方法。控制器(40)对至少一个参数作出响应，以控制空燃比。所述参数可以是来自温度传感器(42)的测量的发动机排气温度。在例如发动机的功率提升状况之类的瞬变期间，这类参数的测量值可具有时滞，所述时滞在瞬变状况期间影响一个或多个控制设定。所述控制器被编程为预测性地为所述参数的测量值确定偏差，以校正这些控制设定，并且避免在这类瞬变状况期间的燃烧不稳定性和高排放。
【专利说明】
用于在瞬变期间控制燃气满轮发动机的控制系统和方法
技术领域
[0001] 本发明总体上设及用于例如燃气满轮发动机之类的发电装置的控制系统和方法， 并且更具体而言，设及用于在例如功率提升(ramping)之类的瞬变期间控制燃气满轮发动 机的控制系统和方法。
【背景技术】
[0002] 例如燃气轮机电站之类的发电系统包括复杂的燃烧部件和过程，W便改善燃烧效 率。最近的市场趋势要求燃气满轮发动机具有快速的功率提升能力（ramping capability)。例如，随着通过风能的利用来发电的出现，电力企业可将燃气轮机与风力满 轮机场(wind turbine fields)互连，W维持恒定的电网发电，而不管风力变化(wind vari ab i 1 i ty)如何。因此，具备快速的提升能力正在变为期望的能力，使得燃气满轮发动机 能够有助于将公用事业发电维持在恒定的水平，并且缓解任何其他的电网干扰。尽管在该
技术领域中已取得进步，但仍然需要在运些快速提升状况期间能够维持适当的发动机燃烧 动力学并且继而提供可接受的排放水平的控制系统和方法。
【附图说明】
[0003] 鉴于附图在下面的描述中解释本发明，附图示出了 ：
[0004] 图1示出了相应的示例性绘图，其可用于比较性地概念化在发动机的瞬变状况期 间相对于测量的发动机排气溫度响应的理想的发动机排气溫度响应。
[0005] 图2示出了相应的示例性绘图，其可用于比较性地概念化在发动机的瞬变状况期 间相对于理想的燃烧室空燃比(AFR)的实际的燃烧室Am?。
[0006] 图3是可从实施本发明的多个方面的控制系统获益的示例性燃气轮机系统的示意 图。
【具体实施方式】
[0007] 本发明人已创新性地克服了能够与燃气满轮发动机在瞬变状况期间的操作相关 地出现的某些问题，所述瞬变状况例如可设及相对快速提升的状况，在一个非限制性示例 中，所述相对快速提升的状况可包括高达40MW/min并且可能甚至更高的提升速率(ramping rate)。本发明人已聪明地认识到，测量的发动机排气溫度的滞后能够导致发动机的空燃比 (AFR)的波动，运又能够导致在运样的瞬变期间的高氮氧化物(NOx)排放和高燃烧不稳定 性。本发明人提出了一种创新的控制系统和方法，在一个示例性实施例中，其去除或至少大 幅减小了测量的发动机排气溫度的滞后效应。
[000引图1示出了相应的示例性绘图，其可用于将在例如发动机的提升状况之类的通过 绘图6表示的瞬变期间的理想的发动机排气溫度响应(绘图4)与测量的发动机排气溫度响 应(绘图5)进行比较。在该示例中，能够注意到在理想的发动机排气溫度响应和测量的发动 机排气溫度之间的大约30秒的时滞(通过箭头7表示）。
[0009] 由于测量的发动机排气溫度的运种时滞，发动机空燃比(AFR)可在发动机的提升 状况期间波动。运可在图2中注意到，其中，绘图8表示实际测量的燃烧室AFR的示例，并且绘 图9表示理想的燃烧室AFR。绘图8上的圈11表示易于发生相对高排放和高燃烧不稳定性的 区域。一旦发动机达到稳态操作，测量的排气溫度和AFR就基本上与理想的排气溫度和AFR 匹配，并且作为结果，可满足排放及燃烧动力学的需求。
[0010] 图3图示了示例性燃气轮机系统10的示意图，所述示例性燃气轮机系统10的特定 部件可在本文中称为发动机，并且所述示例性燃气轮机系统10可从本发明的多个方面获 益。将认识到的是，本发明的实施例可与各种燃气轮机或其他发电系统一起使用。系统10可 包括用于引入环境气流14的压缩机12,所述环境气流14可通过入口导叶（IGV)16来调节，W 控制到压缩机12并且继而到燃烧室20的气流。压缩的空气18可W被提供给燃烧室20,并且 燃烧气体22可W被提供给满轮24,在那里，能量被提取W使轴26转动。轴26可W给压缩机12 和例如发电机(未示出)之类的辅助设备供能。
[0011] 系统10可包括燃料系统30,在一个示例性实施例中，所述燃料系统30可W给燃烧 室20提供至少一个可控的可燃燃料的流32。控制器40可W按照具有可执行指令的处理器或 计算机、数字或模拟控制系统或者用于接收输入信号或数据包、处理数据、执行指令、产生 适当的输出信号并且传输数据包的其他装置的形式来提供。控制器40可W被配置成具有适 当的控制模块和数据库，W执行本发明的各个方面。在一个示例性实施例中，控制器40可对 至少一个参数作出响应，W控制空燃比。在例如发动机的提升状况之类的瞬变期间，该参数 的测量值包括在发动机的瞬变状况期间影响至少一个控制设定的时滞。根据本发明的多个 方面，控制器40可W被编程为预测性地确定校正值，例如发动机排气溫度(Texh)偏差，W校 正运样的控制设定。
[0012] 在一个示例性实施例中，控制器40提供了可部分基于发动机Texh测量的发动机控 审IJ。在不限制本发明的各方面的情况下，控制器40可W被称为出口溫度控制(0TC)控制器， 并且该参数可包括测量的发动机排气溫度，如可通过例如热电偶之类的溫度传感器42测量 的。将理解的是，一般而言，显示时滞并且可用于控制空燃比的可被提供给控制器40的任何 溫度测量或指示都能够从本发明的各方面获益，而无论可取得该测量或指示的位置在哪。 因此，术语"发动机排气溫度测量"无需限于发动机排气位置。例如，该测量可包括叶片路径 溫度测量或类似的测量。在一个示例性实施例中，所述偏差的确定可至少部分地基于发动 机在瞬变状况期间的提升速率W及测量的发动机排气溫度的时滞。在一个示例性实施例 中，所述偏差可W被应用于在目前发动机状况下的稳态发动机Texh值。
[0013] 在一个示例性实施例中，所述偏差的确定是基于下式：
[0014] Texhbias'i = aX (MWrateX A tiagX (Texhss'i-Texhss'2))+b
[0015] 其中，
[0016] 了日油6133,1 =对在目前发动机状况下的稳态排气溫度巧日油)值的偏差，
[0017] ^xliss, 1 =在目前发动机状况下的稳态Texh值，
[0018] 化xhss, 2 =在目标发动机状况下的稳态Texh值，
[0019] MWrate =发动机的提升速率，
[0020] Atlag =滞后时间的值，
[0021] a =比例系数，W及
[0022] b =位点特定常数。
[0023] 如从上式能够理解的，发动机排气溫度偏差与发动机的提升速率、滞后时间值W 及在目前发动机状况下和目标发动机状况下的发动机排气溫度值的差成比例。例如，如果 滞后被留下未校正，则控制器可能不适当地确定发动机实际上已达到目标状况，并且控制 器可能尝试IGV和/或燃料流设定来补偿该错误的确定，直至测量的发动机排气溫度的滞后 值最终赶上。该偏差实质上通过从稳态值预测发动机既不过度燃烧也不燃烧不足的状况来 限定针对提升状况的新的伪发动机状态，并且因此，避免燃烧不稳定性和高排放。一旦Texh 偏差值已被确定，就可形成适当的控制逻辑表，如下面的表1中所示。在一个示例性实施例 中，运样的控制逻辑表实质上起偏差调整器44的作用，所述偏差调整器44配置成根据环境 溫度和/或发动机负荷对通过控制器40确定的偏差进行调整。
[0024]
[00巧]表1:偏差调整器
[0026] 可基于确定的偏差来校正的一个示例性控制设定可W是在发动机的瞬变状况期 间定位入口导叶16的控制设定。可校正的另一示例性控制设定可W是控制在发动机的瞬变 状况期间对于到燃烧室20的可控的可燃燃料流32的需求。
[0027] 将理解的是，如可在燃气满轮发动机中在瞬变状况期间用于去除或至少大幅减小 测量的发动机排气溫度的滞后效应的示例性发明设备的各方面，W及本文所公开的方法可 通过任何适当的处理器系统、使用任何适当的编程语言或编程技术来实现。所述系统能够 采用任何适当的电路的形式，例如可包含硬件实施例、软件实施例或包括硬件元件和软件 元件二者的实施例。在一个实施例中，所述系统可借助于软件和硬件(例如，处理器、传感器 等)来实现，其可包括但不限于固件、常驻软件、微代码等。此外，处理器系统的多个部分能 够采用计算机程序产品的形式，所述计算机程序产品可由提供了供计算机或任何指令执行 系统使用或与之结合使用的程序代码的计算机可用或计算机可读的介质访问。计算机可读 介质的示例可包括例如半导体或固态存储器之类的非暂时性的有形计算机可读介质、磁 带、移动计算机磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、刚性磁盘W及光盘。光盘的 当前示例包括光盘只读存储器(CD-ROM)、可擦写光盘(CD-R/W)和DVD。界面显示器可W是平 板电脑、平板显示器、PDA等。
[0028] 虽然本文已示出和描述了本发明的各种实施例，但将显而易见的是，运些实施例 仅作为示例来提供。在不脱离本文中的发明的情况下可作出许多变型、改变和替换。因此， 本发明意在仅通过所附权利要求的精神和范围来限制。
【主权项】
1. 一种用于燃气涡轮发动机的控制系统，包括： 对至少一个参数作出响应以控制空燃比的控制器，其中，在所述发动机的瞬变状况期 间，所述至少一个参数的测量值包括在所述发动机的所述瞬变状况期间影响至少一个控制 设定的时滞，其中，所述控制器被编程为预测性地确定偏差，以校正所述至少一个控制设 定。2. 如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制器提供部分基于发动机排气温 度测量的控制，并且所述至少一个参数包括测量的发动机排气温度。3. 如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述偏差的确定至少部分地基于所述发 动机在所述瞬变状况期间的提升速率和所述测量的发动机排气温度的时滞。4. 如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述偏差被应用于在目前发动机状况下 的稳态排气温度值。5. 如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述偏差的确定是基于下式： Texhbias,i = aX (MffrateX A tiagX (Texhss,i-Texhss,2))+b 其中， Texhbias, 1 =对在目前发动机状况下的稳态排气温度(Texh)值的偏差， Texhss, 1 =在所述目前发动机状况下的稳态Texh值， Texhss,2 =在目标发动机状况下的稳态Texh值， Mffrate =所述发动机的提升速率， A tiag =滞后时间的值， a=比例系数，以及 b =位点特定常数。6. 如权利要求1所述的控制系统，还包括控制到压缩机的入口气流的入口导叶，其中， 所述至少一个控制设定包括在所述发动机的瞬变状况期间定位所述入口导叶的控制设定。7. 如权利要求1所述的控制系统，还包括控制到燃烧室的至少一个燃料流的燃料系统， 其中，所述至少一种控制设定还包括对所述至少一个燃料流的需求。8. 如权利要求2所述的控制系统，还包括偏差调整器，所述偏差调整器配置成根据环境 温度来调整所述偏差。9. 如权利要求2所述的控制系统，还包括偏差调整器，所述偏差调整器配置成根据发动 机负荷来调整所述偏差。10. 如权利要求2所述的控制系统，还包括偏差调整器，所述偏差调整器配置成根据环 境温度和/或发动机负荷来调整所述偏差。11. 一种用于控制燃气涡轮发动机的方法，所述方法包括： 利用对至少一个参数作出响应的控制器来控制空燃比； 测量所述至少一个参数的值，所述至少一个参数的所述值在所述发动机的瞬变状况期 间包括在所述发动机的所述瞬变状况期间影响至少一个控制设定的时滞；以及 预测性地确定偏差，以校正所述至少一个控制设定。12. 如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述控制包括部分地基于发动机排气温度 测量的控制，并且所述至少一个参数包括测量的发动机排气温度。13. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述偏差的确定至少部分地基于所述发动 机在所述瞬变状况期间的提升速率和所述测量的发动机排气温度的时滞。14. 如权利要求12所述的方法，还包括将所述偏差应用于在目前发动机状况下的稳态 排气温度值。15. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述偏差的确定是基于下式： Texhbias,i = aX (MffrateX A tiagX (Texhss,i-Texhss,2))+b 其中， Texhbias, 1 =对在目前发动机状况下的稳态排气温度(Texh)值的偏差， Texhss, 1 =在所述目前发动机状况下的稳态Texh值， Texhss,2 =在目标发动机状况下的稳态Texh值， Mffrate =所述发动机的提升速率， A tiag =滞后时间的值， a=比例系数，以及 b =位点特定常数。16. 如权利要求11所述的方法，还包括利用入口导叶来控制到压缩机的入口气流，其 中，所述至少一个控制设定包括在所述发动机的瞬变状况期间定位所述入口导叶的控制设 定。17. 如权利要求11所述的方法，还包括控制到燃烧室的至少一个燃料流，其中，所述至 少一个控制设定还包括对所述至少一个燃料流的需求。18. 如权利要求12所述的方法，还包括根据环境温度来调整所述偏差。19. 如权利要求12所述的方法，还包括根据发动机负荷来调整所述偏差。
【文档编号】F02C9/54GK106062343SQ201480071392
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2014年12月17日
【发明人】K·C·米杜图里, D·W·科扎楚克
【申请人】西门子公司