利用涡轮机备选控制策略提供实时比较的方法和系统的制作方法

专利名称：利用涡轮机备选控制策略提供实时比较的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明大致涉及涡轮机控制系统，更详细地讲，涉及提供利用用 于涡轮机的备选控制策略来提供实时比较的方法和系统。
背景技术：
10 工业涡轮机和发电涡轮机具有监测并控制其操作的控制系统("控
制器")。这些控制器控制涡轮机的燃烧系统和涡轮机的其它方面。控 制器可执行调节燃料流、进口导叶(IGV)和其它控制输入的调度算法， 以保证涡轮机安全及高效地操作。
涡轮机控制器可接收测量的操作参数和所需的操作设定值的输
15 入值，确定用于控制参数以达到所需操作的设定值。由用于控制参数 调度算法确定的数值可使涡轮机在所需的状态(诸如处于所需的功率 输出水平并在限定的排放极值内)下操作。调度算法结合了有关涡轮机 的假设，诸如涡轮机以特定的流量能力及其它假定的条件在特定的效 率下操作。
20 当涡轮机在延长的时段内操作时，部件效率有可能降低，流量能
力和其它操作条件可与假定的条件有所不同。由于这种性能降低，控 制调度算法可变得越来越失调，并导致涡轮机的操作状态越来越偏离 所需的操作状态。
相应地，已经开发了涡轮机控制系统，该控制系统采用自适应涡
25 轮机模型，以估计操作中的涡轮机特定的操作参数。模型可估计由用 于控制算法中的传感器非直接感测(或测量)的操作参数。模型还可以 估计测量的操作参数，使得估计和测量的条件可进行比较。比较可在涡轮机继续操作时用来自动地对模型进行调谐。
相应地，由自适应涡l仑机;溪型控制的涡l仑机可通过利用自动地将 涡轮机调谐到实际操作条件的模型来体验操作效率，由此使得对涡轮 机的控制能够直接反映涡轮机的状态，并高效地操作和/或达到其最大 5 阈值。与在传统的控制系统下操作或基于传统的控制系统操作的渴轮 机相比，这些操作效率可产生显著的益处，尽管在没有措施进行比较 的情况下(基于新的控制系统(包括自适应涡轮机模型)操作的涡轮机 与在其目前的状态下假设基于传统的控制系统操作的涡轮机进行比 较)难以量化所实现的益处。 10 另外，由于自适应涡4仑机^^莫型能够实时调谐，或者准实时地调谐，
以反映操作状态，并且由于其提供用来控制涡轮机的灵活性，所以自 适应涡轮机模型有益于预测在不同于现有的涡轮机的操作条件及控 制策略和策略下涡轮机的操作。这样可供确定备选控制策略之用。
然而，当涡轮机基于其它的控制策略(例如升级的控制系统，或在 15 给定所需的目标、环境条件或系统状况的情况下实际的控制策略)操作 时，为了基于备选控制策略完成对涡轮机的分析，可不使用利用单个 涡轮机模型的当前的控制系统，原因在于模型响应涡轮机实际操作的 控制参数和/或控制输出。
因此，对于包括备选自适应模型的控制系统存在着需求，其中自 20 适应模型根据操作条件和涡轮机的状况进行调谐，只是备选控制系统 可基于不同于实际涡轮机控制的控制策略进行分析。
另外，对于利用备选涡轮机的控制策略提供实时比较的方法和系 统存在着需求。
25

发明内容
本发明的实施例可涉及上述部分或全部需求。本发明的实施例通 方法和系统可包括备选自适应涡轮机模型，自适应涡轮机模型允许量
5化实际涡轮机的操作差异、比较基于实际(或主要)的控制策略操作的 涡轮机与假设基于备选控制策略操作建模的涡轮机。另外，本文的这 些方法和系统可至少部分地基于对备选自适应涡轮机模型的分析提 供对实际涡轮机的控制进行调节，其中备选自适应涡轮机模型基于备 5 选控制策略对操作建模。
基于本发明的一个示范性实施例，提供了用于对涡轮机进行控制 和建模的方法。方法可包括通过主要自适应涡轮机模型对涡轮机进行 建模，以及通过备选自适应涡轮机模型对涡轮机进行建模，其中主要 自适应涡轮机模型包括至少一个主要操作参数，而备选自适应涡轮机
10 模型包括至少一个备选操作参数。方法还可以包括根据主要自适应涡 轮机模型确定第 一输出值，第 一输出值至少部分地对应于基于主要控 制策略的涡轮机的操作，并且基于备选控制策略并至少部分地基于第 一输出值调节备选操作参数。方法可另外包括至少部分地基于主要控 制策略和备选控制策略之间的比较确定比较数据。
15 基于本发明的另一个示范性的实施例，提供了用于涡轮机控制和
建模的系统。系统可包括可操作成对涡轮机的操作进行建模的主要自 适应涡轮机模型。主要自适应涡轮才A^莫型可包括至少 一个主要操作参 数。系统可另外包括可操作成对同样的涡轮机的操作进行建模的备选 自适应涡轮机模型。备选自适应涡轮机模型可包括至少一个备选操作
20 参数。所描述的系统可操作成根据主要自适应涡轮机模型确定第 一输 出值，主要自适应涡轮机模型至少部分地与涡轮机的操作相关，并且 系统可操作成基于备选控制策略并至少部分地基于第 一输出值调节 一个或多个备选操作参数。所描述的系统还可以操作成至少部分地基 于主要控制策略和备选控制策略之间的比较确定比较数据。
25 基于本发明的又一个示范性的实施例，提供了用于涡轮机控制和
建模的方法。方法可包括使用主要自适应涡4仑机模型对涡轮机进行建 模，以及使用备选自适应涡轮机模型对涡轮机进行建模，其中主要自 适应涡轮机模型包括至少 一个主要操作参数，而备选自适应涡轮机才莫型包括至少一个备选操作参数。方法还可以包括调谐主要自适应涡轮 机模型和备选自适应涡轮机模型。在方法中，当涡轮机基于主要控制 策略在部分负载状态下操作时，可调节备选操作参数，以基于备选控 制策略确定备选功率输出，备选功率输出大致等于涡轮机的功率输 5 出。主要操作参数可与至少一个备选操作参数进行比较。在方法中， 当涡轮机基于主要控制策略在基本负载下操作时，可调节备选操作参 数，以基于备选控制策略确定备选最大功率输出。与涡轮机相关的最 大的涡轮机功率输出可与备选最大功率输出进行比较。
根据以下描述并结合以下附图，本发明的其它实施例和方面将变 10 得显而易见。


图1是用于本发明实施例的涡轮机的实例框图。
图2是显示基于本发明实施例的自适应涡轮机模型的实例框图。
15 图3是显示基于本发明实施例的主要自适应涡轮才;t4莫型和备选自 适应涡轮机才莫型的实例框图。
图4是显示用于对涡轮机进行控制和建模的方法的实例流程图， 其中该方法包括基于本发明实施例的备选控制策略。
图5是显示用于对涡轮机进行控制和建模的方法的实例流程图， 20其中该方法包括基于本发明实施例的备选控制策略。
零件列表
10 涡轮才几
12 压缩才几
25 14 燃烧室
16 涡轮
18 控制器
20 进口管道21进口导叶
22废气管道
24发电机
26传感器
527促动器
28燃料控制系统
29促动器
30模型
32基本输入
1038主要模型输出
40扩展的模型输出
44调谐输入
46框
47误差校正系统
1548框
50差值信号
52Kalman滤'波器增益杀巨阵
56框
58框
2060归一化的差值信号
62框
64性能倍增器
310主要自适应涡轮机模型
320备选自适应涡轮机模型
25330模型输入
340调谐输入
350模型输出
360备选操作参数380比较器函数
400流程图
410框
420框
430框
440框
450框
500流程图
510框
515框
520框
525框
530框
535框
540框
545框
550框
555框
560框
565框
570框
575框
具体实施例方式
25 以下将参照附图对本发明的示范性实施例进行更全面的描述，在
附图中显示了部分但不是所有的实施例。的确，本发明可以多种不同 的形式实施，并且不应理解为受限于本文所阐述的实施例；而是，这 些实施例的提供使得该公开内容满足申请的法律要求。相同的编号自始至终表示相同的元件。
根据本发明的示范性实施例，涡轮机控制系统可包括第一 自适应 涡轮机模型(例如主要自适应涡轮机模型或实际的自适应涡轮机模型) 和第二自适应涡轮机模型(例如备选自适应涡轮机模型)。备选自适应 5 涡轮机模型可以是第一自适应涡轮机模型的第二例示，这两者均在数 学上对与它们相关联的同样的涡轮机进行建模。作为该数学模型的一 部分，自适应涡轮才几模型可接收涡轮机实时的操作状况和实时的操作 参数以及非直接感测的估计的操作参数作为模型的输入，以便大致上 实时或准实时地反映涡轮机的实际状态。 10 本文提供了关于自适应涡轮机模型的描述，该描述可通常用来描
述第 一或主要自适应涡轮机模型以及第二或备选自适应涡轮机模型。 自适应涡轮机模型可接收测量的状态作为模型的输入参数，例如但不 限于环境压力、压缩机进口导叶的位置、燃料流量、进口放热流量、 发电机的功率损失、进口管道和废气管道的压力损失和压缩机的进口 15 温度。自适应涡轮机模型可确定估计的操作参数，例如但不限于废气 温度、压缩机排气压力和温度以及功率输出。估计的操作参数(也可称 作模型的输出)可与测量的操作参数一起确定适当的控制动作。例如， 测量的操作参数和估计的操作参数(总体上为模型的输出)可输入控制 调度表中，以确定燃气轮机的操作状态，诸如但不限于所需的涡轮机
20 的废气温度、总的燃烧室的燃料流量、燃料分流调度表(the ftiel split schedules)和进口放热流量。另外，模型输出可用来评测模型的精度并 对模型进行调谐。
燃气轮机的模型可使用Kalman(卡尔曼)滤波器定期地、自动地、 实时和/或准实时地进行调节。Kalman滤波器可接收信号作为输入，
25 该信号指示从各种传感器测量的燃气轮机的参数与从模型中输出的 估计的参数之间的差异。Kalman滤波器还可以接收Kalman滤波器增 益矩阵(KFGM)作为输入，KFGM是数字数组，这些数字代表相对于 模型性能倍增器(performancemuWplier)中的变化的不确定性加权的模型估计的参数的灵敏度。Kalman滤波器可使用所提供的输入来确定或 以其它方式产生性能倍增器，该性能倍增器用来调谐模型以及提高所 估计的燃气轮机参数的精度。
KFGM可通过数学等式的阵列进行计算。这些等式可接收模型灵 5 敏度矩阵(MSM)和模型的估计值及测量的不确定性为输入。MSM可 通过摄动及对自适应涡轮机模型的评测进行实时或准实时的在线计 算。Kalman滤波器对倍增器的数值进行优化，以使估计的操作参数与 测量的操作参数之间的差异达到最小程度。
自适应涡轮机模型可自适应地改变实际涡轮机的效率、流量能力
10 和其它参数。由Kalman滤波器确定的输出性能倍增器可使模型改变， 以更好地匹配所测量的涡轮机的参数。Kalman滤波器可对模型进行调 节，(例如)以考虑在延长的操作过程中发生的涡轮机的部件效率的降 低和空气流量能力的改变。
因为MSM和KFGM可实时或准实时地在线计算，所以Kalman
15 滤波器结构能够适应可利用的传感器的数目的变化，以及能够适应可 用来与估计的模型的输出参数进行比较的所测量的输出参数的类型 的变化。当涡轮机的操作参数不再进行测量时(诸如由于传感器失效)， 则Kalman滤波器的结构可进行变更，以考虑测量参数的减少，并且 可以基于其余所测量的涡轮机的状态继续确定性能倍增器。
20 在本发明的实施例中，控制系统可包括至少两个自适应涡轮机才莫
型。各模型可构造成同样的涡轮机的相同的模型，并如本文所述同时 并一致地进行调谐。当第一 自适应涡轮机模型可用来产生控制涡轮机 的控制动作时，第二自适应涡轮积^莫型可用来基于备选控制策略对涡 轮机的控制进行分析。可基于备选控制策略对涡轮机的控制进行分
25 析，以比较当由当前的、升级的控制系统(与传统的控制系统相比)控 制时当前涡轮机的控制和效率，而传统的控制系统可用作备选控制策 略，并且第二备选模型可控制成该备选控制策略。
图1显示了涡轮机10的实例(例如燃气轮机)，其具有压缩机12、燃烧室14、驱动地连接到压缩机12上的涡轮16和控制系统或控制器 18。到压缩机12的进口管道20将环境空气和可能喷射的水供入压缩 才几12中。进口管道20可具有(例如)管道、过滤器、隔板(screens)和吸 音装置，该吸音装置促使流经进口管道20进入压缩机12的进口导叶 5 21的环境空气产生压力损失。用于涡轮机10的废气管道22引导燃气 从涡轮机10的出口经过(例如)排放控制和吸音装置。废气管道22可 包括(例如)吸音材料和给涡轮机IO施加背压的排放控制装置。由于部 件附加到进口管道和废气管道20， 22上的原因，以及由于进口管道 和废气管道20， 22(例如)被灰尘和污物堵塞的原因，进口压力损失的
10 量和背压的量可随着时间的推移而变化。涡轮才几10可驱动产生电力 的发电机24。进口到压缩^L的损失和涡轮机废气压力的损失倾向于为 经由燃气轮机的校正流量的函数。
示范性的涡轮机10的操作可通过一个或多个传感器26进行监 观ll，其中传感器26检测涡轮机10、发电机24和周围环境的一个或多
15 个可观测的状态或操作参数。在多种情况下，两个或三个冗余传感器 可测量同样的测量状态。例如，成组的三个冗余温度传感器26可监 测环绕涡轮机的环境的温度、压缩机的排气温度、涡轮机的废气温度 及经由涡l仑机的其它温度测量值。类似地，成组的三个冗余压力传感 器26可监测环境压力、在压缩机进口和出口处的静压力水平和动压
20 力水平、涡轮机废气及经由涡轮机的其它位置处的静压力水平和动压 力水平。成组的三个冗余湿度传感器26,例如湿球和干5求温度计，在 压缩机的进口管道中测量周围的湿度。成组的三个冗余传感器26还 可以包括流量传感器、速度传感器、火焰探测器传感器、阀门位置传 感器、导叶角度传感器，以及感测与涡轮机10的操作相关的各种参
25 数的其它传感器。
如本文所用，"参数"(或"操作参数")是指可用来限定涡轮机 的操作状态的项目，诸如但不限于温度、压力及在涡轮机中的限定位 置处的气体流量。部分参数是被测量的——其能够被感测并且可以是直接已知的。其它参数由自适应涡轮机模型估计并且是非直接已知 的。测量的参数和估计的参数可用来表示给定的涡轮机的操作状态。
燃料控制系统28可调节从燃料供应源流到燃烧室14的燃料。燃 料控制器还可以选择用于燃烧室14的燃料的类型。燃料控制系统28 5可以是单独的单元或者可以是主控制器18的部件。
控制器18可以是具有一个或多个处理器的计算机系统，其中处 理器执行程序以控制涡轮机的操作。控制可取决于(例如)传感器的输 入或来自人工操作员的指令。由控制器18执行的程序可包括(例如) 调度算法(诸如那些用于调节到燃烧室14的燃料流量的算法)。由控制
10器18产生的指令可使得涡轮机中的促动器(例如)通过促动器27对阀 门进行调节，其中促动器27在燃料供应源与燃烧室之间对流量、燃 料裂解和流到燃烧室的燃料的类型进行调节，通过促动器29对压缩 机中的进口导叶21进行调节，或启动涡轮机上的其它控制设置值。 调度算法可使控制器18能够保持(例如)涡轮机废气中的氧化氮
15 (NOx)和一氧化碳(CO)的排放处于预定的排放极值之内，并使燃烧室 的着火温度处于预定的温度极值之内。调度算法可具有用于参数变量 (诸如但不限于当前的压缩机压力比、环境的比湿度、进口压力损失和 涡轮机的废气背压)的输入。控制系统18将算法应用于设定燃气轮机 的程序，例如应用于设定所需的涡轮机的废气温度和燃烧室的燃料裂
20 解，以便满足性能目标并同时遵循涡轮机的操作边界。在一个示范性 的实施例中，调度算法可由操作边界限定，该操作边界采用基于物理 的模型或传递函数，传递函数又提供边界控制，该边界控制使涡轮机 在其最佳状态下操作并使与边界水平的偏离达到最小程度。
图2是示范性的涡轮机10和示范性的自适应涡轮机模型30的高
25 等级的框图，其中自适应涡轮机模型30以数学和电子的方法对涡轮 机10的一个或多个操作参数进行建模。涡轮机10可具有几个可观测 的参数(或操作参数)，可观测的参数称为"基本输入"(在图2中称作 "ii")32。这些基本输入可由传感器直接测量，并且可包括但不限于环境条件(在图2中称作"A")、进口导叶的角度(在图2中称作"IGV")、 流到燃烧室的燃料的量(在图2中称作"FUEL"，在本文中也称作"燃 料流量")和涡轮机的转速(在图2中称作"SPEED")。所列出的基本输 入32的实例可包括未列出的其它输入，诸如进口放热流量(在本文中 5 也称作"IBH")等等。所列出的基本输入32是示范性的，并且仅仅提 供用来显示所感测的输入被采集。具体感测的输入将取决于控制系统 和特定的涡轮机装置中可利用的传感器。
术语"基本的"不是指各个及每一个所测量的参数必须输入本文 所公开的自适应涡轮机模型30特定的实施例中，或者任何这种自适
10 应涡轮机冲莫型必须具有这些参数或输入。到自适应涡轮机;漠型30的 基本的输入32可包括部分、全部和/或其它参数或输入。术语"基本 的"仅仅表示对于本文所公开的特定的模型而言，这些输入取自实际 状态的测量值并作为输入施加给;f莫型。
基本的输入32可作为输入施加给涡轮机10的自适应涡轮机模型
15 30。这些输入作为模型输入施加给自适应涡轮机模型30,以确定与涡 轮机10的操作参数对应的自适应涡轮机模型30的输出值(在图2中称 作"f，)。模型输出可包括与对应的测量的操作参数进行比较的主要模 型输出(在图2中称作"，")38或涡轮机10的调谐输入44。输出还可以 包括扩展的模型输出(在图2中称作"，ext")40,扩展的模型输出可预
20 测非直接测量的涡轮机参数，例如但不限于涡轮机的进口温度。扩展 的模型输出40可由控制器18用来操作涡轮机10，诸如通过调节到燃 烧室的实际的燃料流量速率(也称作"Wf"),使得涡轮机的进口温度保 持在设计极值之内。
主要模型输出38及其对应的测量的操作参数44施加给误差修正
25 系统47，该误差修正系统47可自动及定期地调谐自适应涡轮机才莫型 30，使得主要模型输出38和扩展的模型输出40可大致预测涡轮机10 的操作状态。主要模型输出和扩展的模型输出38, 40可用于控制涡 轮机、设定维护程序或预测涡轮机的性能。另外，基本的输入32、主要模型输出38和/或扩展的模型输出40可用于备选自适应涡轮机模型 中，以确定用于基于备选控制策略运行的涡轮机10的操作改进或备
选操作参数。
模型的主要模型输出38可以是(例如但不限于)(诸如到发电机 5 24的)模型化的功率输出(在图2中称作"POW一MOD")、才莫型化的涡轮 机的废气温度(在图2中称作"EXHTEMP一MOD")和模型化的压缩机的 状态(在图2中称作"C一MOD")。对应于主要模型输出38的编号和特 定的参数可随着涡轮机模型的不同而变化。另外，如果(例如)传感器 失效，不再有可利用的对应的测量操作参数44作为一项主要模型输 10出38的比较，则模型输出可在涡轮机操作过程中发生变化。
主要模型输出38各自对应于测量的操作参数(在图2中称作 "，")44，这些测量的操作参数44可被感测，诸如但不限于实际的功 率输出(在图2中称作"POW一A")、涡轮机的废气温度(在图2中称作 "EXTEMP—A")或压缩机的状态(在图2中称作"C—A")。这些测量的操 15 作参数44可基于传感器的输出信号，其中传感器监测对应的涡轮机 10的实际参数。多个冗余传感器可观测各测量的操作参数44。测量 的(或感测的)操作参数44可根据用于涡轮机的控制系统及可利用的传 感器进行选择。
各自适应涡轮机模型30可以是计算机产生的涡轮机10的模型。 20 自适应涡轮机模型30可以是主要模型输出和扩展的模型输出38, 40 的数学表达式的排列。这些表达式中的各表达式依赖于模型的输入值 (例如基本的输入32),以确定模型输出参数38， 40的估计数值。数学 表达式可在无测量的参数值可利用的情况下用作替代的参数值。自适 应涡轮机模型30可以是涡轮机基于物理的空气热动力学的计算机模 25 型、回归拟合的模型、神经网络模型或其它合适的计算机模型。
主要模型输出38与对应的测量的操作参数值44进行比较。这些 测量的操作参数44可称作调谐输入，因为其可用来调谐冲莫型。主要 模型输出38和测量的操作参数值44如在框46中所示进行归一化，以确定归一化的模型输出(在图2中称作"F，)和归一化的测量输出(在
图2中称作"5")。这些归一化的输出然后如在框48中所示进行比较。 例如，POW—MOD与POW—A进行比较，以确定差值信号50 (A(i， z))， 诸如(A(POW—MOD， POW一A))。差值信号50可表示模型输出参数38 5 相对于测量的实际参数44的误差。对应于各主要模型输出38通常可 具有至少一个差值信号50,对应于测量特定参数的各冗余传感器可具 有差值信号。对于各主要模型输出38,通常需要至少一个测量的操作 参数44(例如调谐输入)，以确定差值信号50。如果由于失效的传感器 的原因不再有可^L利用的一个或多个调谐输入，则不能确定(例如)对 10 应的差值信号50,尽管误差校正系统将继续操作以校正自适应涡轮机 模型30。
Kalman滤波器增益矩阵或KFGM(在图2中称作"K")52可接收差 值信号50作为输入，并确定已校正且归一化的差值信号(在图2中称 作"f")60，该差值信号60可用来调谐燃气轮机模型30。 Kalman滤波
15 器增益矩阵52应用一个或多个调谐因子，来调节差值信号50，并确 定已校正且归一化的差值信号60。 Kalman滤波器增益矩阵52依赖于 差值信号60来调谐自适应涡轮机模型30。相对较多数目的差值信号 60(例如用于各功率输出、废气温度和压缩机状态的冗余传感器输出) 使Kalman滤波器增益矩阵能够精确地调谐自适应涡轮机;漠型30,并
20 使得模型确定精确的输出值，例如主要模型输出值和扩展的模型输出 值38, 40。
Kalman滤波器增益矩阵52可确定一个或多个调谐因子，该调谐 因子应用于差值信号50,以确定归一化的校正因子调节。归一化的校 正因子如框56中所示与先前的归一化的校正因子(显示发生在框58中) 25 叠加，以均化当前的校正因子与先前的校正因子之间的差异。均化的 才交正因子如在框62中所示是非归一化的，以产生性能倍增器64(也是 非归一化的校正因子)，性能倍增器64可包括(例如但不限于)部件的 效率和流量能力。非归一化校正因子64然后作为(例如)倍增器应用于自适应涡轮机模型30中，该倍增器应用于对涡轮机10建模并确定模 型化的输出参数值38， 40的算法中。倍增器通过对算法进行调节调 谐自适应涡轮才;Mt型30，使其确定精确地代表涡轮机实际操作的模型 化的参数值。模型化的输出参数值38， 40可用来确定到燃气轮机的 5 燃料和空气流量，并用来确定到燃气轮机的其它控制输入，或者在备 选自适应涡轮机模型30的情况下，用来确定到假设基于备选控制策 略操作的燃气4仑机的其它控制输入。
差值信号50的损失可降低(尽管可能不消除)Kalman滤波器增益 矩阵对自适应涡轮机模型30进行调谐的能力。Kalman滤波器增益矩
10阵52的自适应能力使其能够利用一组降低的差值信号50继续对自适 应涡轮机模型30进行调谐。当不能得到一个或多个差值信号时，为 了自动地对;f莫型进行调节，Kalman滤波器增益矩阵52可进行变更， 以考虑差值信号50的损失。相应地，即使当传感器失效并且不能得 到关于可观测的操作条件的调谐输入数据时，涡轮机可继续操作并自
15 动地进行调谐。
图3是显示控制器的示范性实施例的功能性框图，其中控制器包 括主要自适应涡轮机模型310和备选自适应涡轮机模型320。基本的 (或主动的)自适应涡轮机纟莫型310和备选自适应涡轮机模型320可如 上所述参照图2进行构造。各自适应模型对同样的涡轮机进行建模；
20 然而，各自适应模型可构造成在不同的操作条件和/或在不同的控制策 略下操作。通过两个自适应模型构造成对涡轮机的操作进行分析的控 制器可允许在这种条件或控制策略下对涡轮机进行分析，即当时涡轮 机没有在这种条件或控制策略下被控制，并考虑其当前的操作状态， 包括(例如)其实时的性能降低的状况和环境条件。另外，由于备选自
25 适应涡轮机模型320使用与主要自适应涡轮机才莫型310相同Kalman 类型的调谐进行调谐，所以备选自适应涡轮机模型320也动态或自适 应地调谐，以适当地反映其所建模的涡轮机的实时状态，正如同主要 自适应涡轮机模型310的情况一样。在一个应用实例中，备选自适应涡轮机模型320应用备选控制策
略，与当前用来控制实际涡轮^a的控制系统构型相比，该备选控制策
略反映不同的控制系统构型。例如，备选自适应涡轮机模型320可应 用基于在涡轮机的控制策略升级之前用于同样的涡轮机的传统的控 5 制系统所应用的控制策略。因此，在该实例中，当主要自适应涡轮机 模型310在控制系统升级之后基于新的、当前的控制策略对涡轮机进 行控制时，备选自适应涡轮机模型320允许在涡轮机当前的操作状态 下对涡轮机基于先前的、传统的控制系统的运转情况进行建模。
在这种方式中，人们可以实时地识别传统的控制系统的操作情况
10 相对于新的控制系统(包括其输入参数和其功率输出)之间的差异。例 如，当在部分负载状态下使涡轮机运行时，备选自适应涡轮机模型320 可进行调节，直到其基于传统的控制策略对产生相同的功率输出的涡 轮机的操作进行建模。这(例如)可允许识别由基于新的控制系统(与传 统的控制系统相比)所得到的效率增益。在另一个实例中，当在基本负
15 载下使涡轮机运行并达到最大的功率输出时，备选自适应涡轮才M莫型 320可对基于传统的控制策略可能具有的最大功率输出的情况进行建 模。因此，可在基于新的控制系统及基于传统的控制系统的涡轮机的 最大功率输出能力之间进行比较。对于试图基于已经升级的涡轮机来 识别正在升级的一台或多台涡轮机类似的效率增益的涡轮才几操作员
20 和/或业主而言，基于涡轮机实际的、性能下降的状态实时或准实时地 识别这些操作增益是有益的。以下将更全面地对控制器的操作进行描 述，该控制器具有如在该示范性的实施例中所使用的备选自适应涡轮 机模型320。
在另 一个示范性的实施例中，涡轮机控制器可用来在给定的涡轮 25 机当前的操作状态下确定先前的或传统的控制系统将控制涡轮机的 效应器所安放的位置，或确定施加给涡轮机的设定极值(limit)或约束 (constrain),其中控制器具有备选自适应涡轮才;i4莫型320。 了解了基于 传统的控制系统的约束之后可允许基于已知的、已验证的控制策略(如在传统的控制系统中运行)进行识别并对调节设定极值。通过基于先前 的控制策略提供与涡轮机的极值有关的舒适区，这一点便于在实施并 测试新的控制策略的过程中有利于避免测试和实施过程中的极端操 作或涡轮机失效。
5 进一步参照图3,到主要自适应涡轮机模型310的模型输入330
也提供给备选自适应涡轮机模型320。如以上参照图2所描述的这些 模型输入330可以是参数，诸如举例来说进口导叶、进口放热、燃料 流量或涡轮机的速度。由主要自适应涡轮机模型310的Kalman滤波 器所计算的调谐因子(以上参照图2所描述的)可作为到备选自适应涡 10 轮机模型320的调谐输入340，以将模型调谐成准确地反映涡轮机的 实时状况。
备选自适应涡轮机模型320的备选模型输出350可用作反馈，该 反馈可被考虑在成备选控制策略的边界极值(boundary limit)360,以确 定如所显示用于控制闭合环路(control loop closure)的误差项，其中备
15 选模型输出350可以是(例如)功率输出、废气温度等等，这一点将参 照图2进一步详细描述。备选控制策略的边界极值360可给操作参数 设定极值，诸如举例来说废气温度、压缩机的压力比和进口放热流量 的设定点。备选控制策略的边界极值360表征了边界和极值的特征， 基于备选控制策略进行控制的涡轮机可在该边界和极值下运行。另
20 外，在一个实例中，备选控制策略的边界极值360可供入比例-积分控 制回路，以闭合关于实际的涡轮机操作参数与备选模型参数之间的误 差的回路。然后，比例-积分控制回路的输出可作为模型输入330重新 应用到备选自适应涡轮机才莫型中，并且还可以通过另一个反馈回路重 新应用到一个或多个备选控制策略的边界极值360中。附加的输入可
25 馈入比例-积分控制回路之一中，而不是来自由备选控制策略的边界冲及 值360引起的那些。例如，来自操作中的实际涡轮机的功率输出或由 主要自适应涡轮机模型310建模的功率输出可提供给比例-积分控制 回路，然后作为另一个输入提供给备选自适应控制模型320。该连续的反馈回路一一主要自适应涡轮机模型310的模型输入330和调谐输 入340馈给备选自适应控制模型320，同时备选模型输出350通过反 馈回路提供给一个或多个备选控制策略的边界极值360，并且可选地 提供给比例-积分控制回路，然后作为模型输入返回到备选自适应控制 5 模型320-允许实际的涡轮机的操作参数和输出参数在操作过程中与假 设涡轮机基于备选控制策略操作时可能存在的那些参数进行比较。
由备选自适应控制模型320建模的一个或多个参数可在比较器函 数380中与由主要自适应涡轮机模型建模的一个或多个参数进行比 较。比较器函数380可确定比较数据，例如与燃料节省或功率差相关
10 的输出，诸如燃料节省百分比或功率差百分比，用于显示给用户，或 用于写入控制器中的存储器，或者写入与控制器相关的存储器，或者 写入与一些其它基于计算机的装置相关的存储器，而这些基于计算机 的装置又与涡轮机的控制相关。
图4通过流程图400显示了涡轮机通常的实例，该涡轮机如以上
15参照图3所述利用主要自适应涡轮机模型操作，并进一 步应用备选自 适应涡轮机模型。在框410中提供了主要自适应涡轮机模型。主要自 适应涡轮才;i^莫型可控制成主要控制策略，该主要控制策略可反映(例如) 升级的控制系统或意图在特定的操作条件下使用的控制策略。框420 跟在框410之后，在框420中提供了备选自适应涡轮机模型，其与主
20 要自适应涡轮机模型一样对同样的涡轮机进行建模。框430跟在框420 之后，在框430中，备选自适应涡轮机模型的参数可基于备选控制策 略进行调节，这与在主要自适应涡轮机模型中所应用的控制策略不 同。它们可至少部分地响应主要自适应涡轮机模型的一个或多个输出 值进行调节。例如，在部分负载状态下，备选自适应涡轮机模型的燃
25 料流量可进行调节，直到备选自适应涡轮机模型的功率输出与在操作 中由主要自适应涡轮机模型所控制的实际的涡轮机的功率输出相匹 闺己。相应地，调节燃料流量需要调节备选自适应涡轮^^莫型的其它操 作参数，诸如基于备选控制策略边界极值所确定的进口导叶或进口放热。框440跟在框430之后，在框440中，主要自适应涡轮机模型的参数(例如燃料流量)与备选自适应涡轮机模型的操作参数进行比较，允许确定比较数据(如在框450中)。在另一个实施例中，主要自适应涡轮机模型的输出值(例如与功率输出相关的输出)与备选自适应涡轮5机模型的操作参数在框440中进行比较。
框450跟在框440之后，在框450中确定比较数据，对比于基于备选(旧的/传统的)控制策略操作涡轮机，当基于基本的(或新的/升级的)控制策略操作涡4仑机以在部分负载状态下达到相同的功率输出时，该比较数据可显示(例如)燃料的节省。在另一个实例中，在框450中
10 确定的比较数据可显示，当在基本负载下操作时，基于基本的(或新的/升级的)控制策略操作的涡轮机比较于基于备选(旧的/传统的)控制策略操作的涡轮机的最大功率输出中的差异。还可以进一步认识到，比较数据可以是这些比较的组合一一燃料节省、微分功率增益一一以及在基于现有的或主要控制策略的涡轮机的实际操作比较于基于不同
15 的或备选控制策略的涡轮机的假想的(模型化的)操作之间比较其它参数或比较的涡轮机的特性。
图5通过流程图500显示了涡轮机更详细的实例，该涡轮机具有主要自适应涡轮机模型和备选自适应涡轮机模型。在框510中提供了如以上参照图2更详细地描述的主要自适应涡轮机模型。主要自适应
20 涡轮机模型可构造成基于实际的或主要控制策略(如在操作中所意图的)辅助对涡轮机的操作进行控制。
框515根在框510之后，在框515中，主要自适应涡轮机模型基于涡轮机操作过程中的操作参数(该操作参数可以是直接感测的参数或者是非感测的基于模型的参数)进行调节。框515提供了(例如)通过
25 使用调谐算法(诸如以上详细描述的Kalman滤波器)对基本的模型进行调节。作为调节(或调谐)的结果可确定一个或多个性能倍增器，这一点参照图2更详细地进行了讨论。这些性能倍增器可用来调谐自适应涡轮机模型(主要的和备选)，以调节调谐算法，使得参数可对实际涡轮才几中的那些来建才莫。
框520跟在框515之后，在框520中，涡轮机可至少部分地基于主要自适应涡轮才A^莫型基于主要控制策略进行控制。例如，涡轮机可控制成在部分负载状态下或在准基本负载状态下操作。在部分负载的5 情况下，涡轮机的操作参数通过主要自适应涡轮机模型设定成提供涡轮机具体的功率输出。在另一个实例中，在准基本负载的情况下，涡轮机的操作参数设定成操作涡轮机产生其最大的功率输出。
框525跟在框520之后，在框525中可确定第一输出值(诸如部分负载实例过程中的功率输出，或基本负载过程中的燃料流量)，用于以
10 后的比较。在其它实施例中，输出值可以是其它操作参数，诸如举例来说进口导叶、进口放热、燃料流量特性等等，它们可通过涡轮机的实施和模型构型而变化。
框530跟在框525之后，框530显示了如以上参照图2-3所述利用备选自适应涡轮机模型对同样的涡轮机建模，并基于备选控制策略
15 对涡轮机进行控制。框535跟在框530之后，在框535中，备选自适应涡轮机模型基于如以上在框515中确定的相同的性能倍增器进行调节(或调谐)。由框535所显示的步骤可一致或接近地反映那些如发生在框515中的步骤，使得备选自适应涡轮机模型如同主要自适应涡轮机模型一样进行调谐。
20 框540-560跟在框535之后，其显示了如参照图3所描述的连续
的反馈过程，备选自适应涡轮机模型的参数可通过该反馈过程进行调节，直到它们或者与主要自适应涡轮机模型的参数匹配，或者直到它们在基本负载下基于备选控制方案(基于该控制策略产生其最大的功率输出)对涡轮机的操作进行建模。备选自适应涡轮机模型的笫一可调
25 节的操作参数(诸如燃料流量)可在框540中进行调节，以试图达到与主要自适应涡轮机模型相同的操作。框545跟在框540之后，在框545中，备选自适应涡轮机模型的第二参数可响应对第一操作参数的调节进行调节(在一些实例中自动地进行调节)。例如，在对燃料流量进行调节以试图达到所需的功率输出之后，可基于由备选控制策略边界极值所施加的约束对进口导叶或进口放热参数相应地进行调节。
跟在框545之后的框550显示，如果实际的涡轮机在部分负载状
态下操作，则备选自适应涡轮机模型的模型输出值和自适应涡轮机模
5 型的功率输出(通过关于两者之间的误差的闭合回路)控制成与主要自适应涡轮机模型的模型输出值相匹配，然后进行比较(通过显示在图5中的该回路)。然而，在框550中，如果实际的涡轮机在基本负载或准
基本负载下运行，则备选自适应涡轮机模型调节成也在其基本负载或准基本负载下运行，并且至少两者的功率输出进行比较，可选地其它
10 参数可进行比较。
框555跟在来自框550的"是"路径之后，在框555中，备选自适应涡轮机模型的输出值与在部分负载状态下运行的实际涡轮机的第一输出值(例如在框525中所确定的功率输出)进行比较，以确定它们是否匹配或基本上类似——因此，备选自适应涡轮机模型有效地对
15与操作过程中实际的涡轮机相同或类似的操作进行建模。如果它们不相同(并且备选自适应涡轮机模型不是在其最大能力(在框560中确定)下对操作进行建模)，则重复框540-560,直到它们相互匹配。框540-560之间的循环回路显示了如参照图3更全面地所描述的反馈回路过程。跟在框550的"否，，路径和框555的"否，，路径之后的框560显
20 示了两个实例---个是当实际的涡轮机在部分负载状态下运行的
实例，另一个是当实际的涡轮机在准基本负载下运行的实例。在第一个实例中，因为实际的涡轮机在该实例中在部分负载状态下运行，框560确定实际的涡轮机的功率输出是否等于或大于假设基于备选控制策略由备选自适应涡轮机模型建模时最大的功率输出。在该实例中，
25 如果备选自适应涡轮机模型的模型化的功率输出达到最大程度或基本上达到最大程度，则获取备选模型的功率输出，用于与实际的涡轮机的功率输出进行比较(在框565中)。在笫二个实例中，实际的涡轮机在准基本负载(如在框550中所确定的)下操作，并且备选自适应涡轮机模型(通过回路)调节成也在其最大功率输出下运行，或基本上在其最大功率输出下运行。当备选自适应涡轮机模型在其最大功率输出下操作时(基于备选控制策略对基本负载进行建模)，备选自适应涡轮机模型的功率输出可与实际的涡轮机的功率输出进行比较，如在框5 565中所示。
跟在框555的"是"路径之后并跟在框565之后的框570显示，当备选模型输出与实际的模型输出匹配时，或者实际的涡轮机和备选模型均在基本负载下或在准基本负载下操作时，实际的涡轮机的操作参数或主要自适应涡轮机模型的操作参数可与备选自适应涡轮机模10 型的操作参数进行比较。例如，备选模型的燃料流量可与在相同的条件下操作的实际的涡轮机的燃料流量进行比较，以确定与备选控制策略相比通过基于实际的(新的/升级的)控制策略操作可能达到的燃料节省的情况。在其它实例中，其它操作参数，诸如进口导叶、进口放热、燃料流量或压缩机的压力比等等可进行比较。
较数据。比较数据可进行显示，或者其可以写入存储器中用于以后和/或随后的存取。例如，燃料节省可进行显示，显示当比较基本的模型与备选模型之间的燃料流量时基于新的控制策略的燃料的节省。同样，当在基本负载下或在准基本负载下运行时(或者当备选模型达到其
20 最大功率输出时)，功率差可进行显示，以指示当与备选控制策略比较时在基本负载下或在准基本负载下增加的功率输出。这些可通过显示(例如)原始数(raw numbers)的接口、使用图像技术的图像显示器、显示百分比差的图像显示器等等进行显示。在一些实例中，数据还可以(或替代地)存储于数据库中或其它存储装置中，以供随着时间推移产
25 生历史的比较数据之用。
本文参照了基于本发明的示范性实施例的系统的框图、方法、设备和计算机程序产品。可以理解，框图中的至少一些框及框图中的框的组合可分別至少部分地通过计算机程序指令执行。这些计算机程序指令可载入通用计算机、专用计算机、专用的基于硬件的计算机或其它产生机器语言的可编程的数据处理设备中，使得在计算机或其它可编程的数据处理设备中执行的指令可产生手段，用于执行在框图中的至少一些框及所讨论的框图中的框的组合中的功能。5 这些计算机程序指令还可以存储于计算机可读取的存储器中，该
存储器可引导计算机或其它可编程的数据处理设备以特定的方式起作用，使得存储于计算机可读取的存储器中的指令可产生包括指令手
^^(instruction means)在内的制造项目(article of manufacture), i亥指令手段可执行在框中确定的功能。计算机程序指令还可以装载到计算机或10其它可编程的数据处理设备中，以引起将在计算机或其它可编程的设
备中执行的一系列操作步骤，以产生计算机执行的过程，使得在计算机或其它可编程的设备中执行的指令提供用于执行在框中确定的功能的步骤。
系统的一个或多个部件和本文所述方法的一个或多个要素可通
15 过在计算机的操作系统中运行的应用程序执行。它们还可以与其它计算机系统构型(包括手持装置、多处理器系统、基于微处理器或可编程的消费电子装置、微型计算机、大型计算机等)一起实施。
作为本文所描述的系统和方法的组成部分的应用程序可包括实施特定的抽象的数据类型及执行特定的任务或动作的例行程序、程
20序、组成部分、数据结构等。在分布式的计算环境中，应用程序(整体或部分地)可位于本地的存储器或其它存储装置中。附加地或备选地，应用程序(整体或部分地)可位于远程的存储器或其它存储装置中，以供在通过经由通讯网络连接的远程处理装置执行任务的情况下使用。受益于在上面的描述和附图中给出的教导内容，可想到本文所阐
25 述的示范性描述的许多变更和其它实施例，这些变更和其它实施例与这些描述相关。因此，可以认识到，本发明可以多种形式实施，并且不应受限于上述示范性的实施例。因此，可以认识到，本发明不应受限于所公开的具体的实施例，并且变更和其它实施例旨在包括在所附的权利要求的范围内。尽管本文采用了具体的术语，但是，它们仅在 一般性及描述性的意义上使用，而不是为了约束性的目的。
权利要求
1. 一种用于对涡轮机(10)进行控制和建模的方法，其包括(510)通过包括至少一个主要操作参数(330)的主要自适应涡轮机模型(310)对所述涡轮机(10)进行建模；(530)通过包括至少一个备选操作参数(360)的备选自适应涡轮机模型(320)对所述涡轮机(10)进行建模；(525)从所述主要自适应涡轮机模型(310)确定第一输出值，该第一输出值至少部分地与基于主要控制策略的所述涡轮机(10)的操作相关；(540)基于备选控制策略并至少部分地基于所述第一输出值调节所述至少一个备选操作参数(360)；以及(575)至少部分地基于所述主要控制策略和所述备选控制策略之间的比较确定比较数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括(515):通过调节所述至少一个主要操作参数对所述主要自适应涡 轮机模型(310)进行调谐，所述至少 一个主要操作参数至少部分地基于 调谐算法，而该调谐算法又至少部分地基于所述涡轮机(10)的操作状 态；以及 (535):通过调节所述至少一个备选操作参数(360)对所述备选自适应涡轮机模型(320)进行调谐，所述至少一个备选操作参数(360)也至少 部分地基于所述调谐算法。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述调谐算法包 括Kalman滤波器(52)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述至少一个主要操作参数(330)包括所述涡轮机(10)的燃料流 量、进口导叶或进口放热中的至少一项；以及所述至少一个备选操作参数(360)包括所述备选自适应涡轮机模型(320)的燃料流量、进口导叶或进口放热中的至少 一项。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一输出值 包括所述涡轮机(10)的功率输出。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于 5 所述涡轮机(10)在部分负载状态下操作；(540):调节所述至少一个备选操作参数(360),直到所述备选自适 应涡轮机^^莫型(320)的第二输出值大致等于所述主要自适应涡轮机模 型(310)的所述第一输出值；以及(575):在所述第二输出值大致等于所述第一输出值之后确定比较 10 数据。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，(575)确定比较数 据包括(570):比较所述主要自适应涡轮机模型(310)的燃料流量与所述备 选自适应涡轮机模型(320)的燃料流量；以及 15 (575):确定与燃料节省相关的输出。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于 所述涡轮机(10)在准基本负载状态下操作；以及(540):调节所述至少一个备选操作参数(360)，直到所述备选自适 应涡轮机模型(320)对基于所述备选控制策略在准基本负载状态下操 20 作的所述涡轮机(10)进行建模；以及(575):在所述备选自适应涡轮机模型(320)对在准基本负载状态下 操作的所述涡轮机(l O)进行建模之后确定比较数据。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，(575)确定比较数 据包括(565):比较所述涡轮机(10)的功率输出与所述备选自适应涡轮机模型(320)的功率输出；以及(575):确定与功率差相关的输出。
10. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 将部分或全部所述比较数据显示给用户。
全文摘要
一种用于对涡轮机(10)进行控制和建模的方法，该方法可包括(510)通过包括至少一个主要操作参数(330)的主要自适应涡轮机模型(310)对涡轮机(10)进行建模，以及(530)通过包括至少一个备选操作参数(360)的备选自适应涡轮机模型(320)对涡轮机(10)进行建模。方法还可以包括(525)根据主要自适应涡轮机模型(310)确定第一输出值，该第一输出值至少部分地对应于基于主要控制策略的涡轮机(10)的操作，以及基于备选控制策略并至少部分地基于第一输出值调节备选操作参数(360)。方法还可以包括(575)至少部分地基于主要控制策略和备选控制策略之间的比较确定比较数据。
文档编号F02C9/00GK101482062SQ200910001689
公开日2009年7月15日 申请日期2009年1月8日 优先权日2008年1月8日
发明者J·C·撒切尔, M·迪施, S·沙伯格 申请人:通用电气公司