用于控制流到涡轮机构件的燃料流的系统和方法

专利名称：用于控制流到涡轮机构件的燃料流的系统和方法
技术领域：
本发明的实施例一般地涉及涡轮机，并且更具体而言，涉及用于控制流到涡轮机 或涡轮机构件的燃料流(fuel flow)的系统、方法以及装置。
背景技术：
燃气轮机和其它类型的涡轮机在多种各样的应用中使用，例如在用于动力产生的 动力装置中。在燃气轮机的操作期间，典型地将可压缩燃料(例如气体燃料)的供应作为 燃料提供给燃烧器，燃烧器点燃气体以提供动力从而使涡轮旋转。气体典型地由一个或多 个导管或通道供应到燃烧器，并且通过一个或多个导管的气体的流动典型地由一个或多个 相应的控制阀控制。阀的定位典型地调节成控制供应到燃烧器的气体量或气体流。例如，阀可部分地 关闭以减少供应到燃烧器的气体流。但是，由于气体的可压缩和/或气体通过导管的放出， 因此存在这样的瞬态时期，在该瞬态时期中，在控制阀处将流到燃烧器的气体流调节到新 的气体流水平。传统的涡轮机控制系统典型地假定当调节阀时气体流立即或几乎立即被调 节为新的流。但是，因为传统的涡轮机控制系统不考虑气体的可压缩，所以典型地在瞬态事 件期间逐步调节供应到燃烧器的气体流。气体流的这些逐步变化可导致在涡轮机内的效率 损失。另外，在一些情况(例如气体流应快速减少的甩负荷(load rejection)情形)下， 气体流的逐步变化可导致燃烧器中的火焰损失，或导致涡轮机构件磨损以及涡轮机构件生 命周期缩短。因此，需要一种用以控制流到燃烧器或涡轮机的其它构件的可压缩燃料流的改进 的系统、方法以及装置。还需要一种用以对提供给涡轮机的可压缩燃料流建模的改进的系 统、方法以及装置。

发明内容
上述需要和/或问题中的一些或全部可由本发明的某些实施例解决。本发明的实 施例可包括用于控制涡轮机中的燃料流的系统、方法、装置以及计算机程序产品。根据本发 明的一个实施例，公开了一种用于控制涡轮机中的燃料流的方法。可监测与流到涡轮机构 件的燃料流相关联的一个或多个参数。可至少部分地基于一个或多个监测参数来对燃料流 建模。可至少部分地基于燃料流的建模来将燃料流调节到目标流。根据本发明的另一个实施例，公开了一种用于控制流到涡轮机的燃料流的系统。 系统可包括一个或多个传感器和一个或多个处理器。一个或多个传感器可操作成监测与流 到涡轮机构件的燃料流相关联的一个或多个参数。一个或多个处理器可操作成接收来自 一个或多个传感器的测量数据，并且使用接收到的测量数据中的至少一部分来对燃料流建 模。一个或多个处理器还可操作成至少部分地基于燃料流的建模来将燃料流调节到目标 流。根据本发明的又一个实施例，公开了一种用于控制与流到涡轮机构件的燃料流相关联的阀的方法。可测量与在阀的下游的燃料流相关联的数据。可至少部分地基于数据和 阀的一个或多个功能能力(capability)来预测燃料流的行为(behavior)。可至少部分地 基于燃料流的预测行为来调节阀的定位以改变燃料流。 通过本发明的各种实施例的技术来实现另外的系统、方法、装置、特征以及方面。 本发明的其它实施例和方面在本文中进行了详细描述，并且被视为要求保护的发明的一部 分。可参考描述和附图来理解其它实施例和方面。


因此在已概括地描述了本发明的情况下，现在将参照附图，附图未必是按比例绘制的，并且其中
图1是可与本发明的各种实施例结合使用的一个实例燃气轮机的截面图。
图2是根据本发明的一种说明性实施例的、可用于控制流到涡轮机的燃料流的一个实例系统的框图。
图3是根据本发明的一种说明性实施例的、用于控制流到涡轮机的燃料流的一个实例方法的流程图。
图4A-4B是示出了可通过本发明的各种实施例促进的燃料流的实例变化的图表。
部件列表
100燃气轮机
102进气段
104压缩机段
106燃烧段
108涡轮段
110排气段
200系统
205燃料流段
210传感器
215控制器
220燃料供应
225燃烧器燃烧室
230第一流道
232第二流道
234第三流道
236第四流道
238 截止比例阀(stop ratio valve)
240第一气体控制阀
242第二气体控制阀
251处理器
252存储器
253 I/O 接口
254网络接口
255测量数据
256数据
257操作系统
258燃料控制模块
259燃料流模型
260歧管模型
261阀模型
262燃烧器模型
270外部控制系统
275数据源
280网络
300方法
305框
310框
315框
320框
325框
330框
400图表
405计算出的燃料流
410实际燃料流
415初始燃料流
420最终燃料流
425图表
430计算出的燃料流
435实际燃料流
440初始燃料流
445燃料流
450最终燃料流
具体实施例方式现在将结合附图在下文中更加全面地描述本发明的说明性实施例，在附图中显示 了本发明的一些实施例但非全部实施例。事实上，本发明可体现为许多不同的形式，并且本 发明不应理解为限于本文所阐述的实施例；相反，提供这些实施例以使得本公开将满足可 适用的法律要求。类似的参考标号在整个附图中表示类似的元件。公开了用于控制流到涡轮机或涡轮机构件的燃料流的系统、方法以及装置。本发 明的各种实施例可包括有利于监测与流到涡轮机构件的燃料流(例如流到燃气轮机的燃 烧器的气体燃料流)相关联的参数的一个或多个传感器。一个或多个适当的控制单元可接收与监测的参数相关联的测量数据，并且使用接收到的测量数据的至少一部分来对燃料 流建模。当对燃料流建模时，可考虑多种多样的因素，例如，燃料的可压缩性质和/或用来 控制燃料流的一个或多个阀的功能性。当期望燃料流变化时，一个或多个控制单元可至少 部分地基于燃料流的建模来将燃料流调节到目标流。由于对燃料流建模，可相对强烈地 (aggressively)调节和控制燃料流。就此而言，可以相对高效的方式实现对燃料流的调节。本发明的各种实施例可包括用于控制流到涡轮机构件或涡轮机的燃料流的一个 或多个专用计算机、系统和/或特定机器。如各种实施例中所期望的那样，专用计算机或特 定机器可包括多种多样的不同软件模块。如下面更加详细地所解释的那样，在某些实施例 中，可使用这些各种软件构件来提供对流到涡轮机构件或涡轮机以及/或者在涡轮机构件 或涡轮机内的燃料流的相对精确和稳定的行为表示。可使用行为表示或模型来控制燃料 流。例如，可使用行为表示或模型来相对强烈地促动或以别的方式控制有利于流到涡轮机 构件或涡轮机的燃料的供应的阀。本文描述的本发明的实施例可具有提供用于流到涡轮机构件、涡轮机或其它机器 的燃料的供应的控制的技术效果。另外，本发明的实施例可具有对流到涡轮机构件、涡轮机 或其它机器以及/或者在涡轮机构件、涡轮机或其它机器中的燃料流建模和/或预测的技 术效果。可使用对燃料流的建模和/或预测来控制和/或调节燃料流。本发明的实施例可与多种多样的不同涡轮机和/或其它机器结合使用。图1示出 了在其中可使用本发明的实施例的燃气轮机100的一个实施例的截面图。虽然图1中示出 了燃气轮机100，但是本发明的实施例可用于接收和/或使用可压缩燃料供应或可压缩流 的多种多样的不同机器中，机器包括但不限于，燃气轮机、蒸汽轮机以及用于各种航空、工 业和/或动力产生应用的其它涡轮机。例如，可使用本发明的实施例来控制蒸汽轮机内的 可压缩蒸汽流。参照图1，所示燃气轮机100可包括进气段102、压缩机段104、燃烧器段106、涡轮 段108以及排气段110。在一般的操作中，空气可通过进气段102进入，并且可在压缩机段 104中被压缩到预先限定或预先确定的压力。来自压缩机段104的压缩空气的至少一部分 可供应到燃烧器段106。在燃烧器段106中，压缩空气可与燃料混合，然后可燃烧混合的空 气和燃料混合物。燃烧段106中的空气和燃料混合物的燃烧可产生具有相对高的温度和相 对高的压力的热气。从燃烧段106出来的热气可在燃气轮机100的涡轮段108中膨胀。涡 轮段108可将热气的能量转换成旋转能。在热气在涡轮段108中膨胀之后，可通过排气段 110将相对低压的热气从燃气轮机100中送出。可将从排气段110中出来的相对低压的热 气送出到大气、送出到联合循环回收装置、以及/或者送出到热交换器的再循环管道。图2是根据本发明的一种说明性实施例的、可用于控制流到涡轮机或涡轮机构件 的燃料流的一个实例系统200的框图。系统200可包括燃料流段205、一个或多个传感器 210以及控制器215。在一个实施例中，燃料流段205可操作成将燃料(例如可压缩燃料) 提供给涡轮机或涡轮机构件。传感器210可监测与燃料流相关联的各种参数，并且将测量 数据提供给控制器215。控制器215可接收测量数据，并且对燃料流段205和涡轮机构件内 的燃料流建模。至少部分地基于对燃料流、促动器和/或阀特性的建模，控制器215可使用 燃料流段205中任何数量的阀来调节或以别的方式控制燃料流。燃料流段205可操作成将燃料(例如可压缩燃料)提供给涡轮机或涡轮机构件。如图2中所示，燃料流段205可将燃料从燃料供应220提供给适当的涡轮机构件，例如燃烧 器燃烧室225。如本发明的各种实施例中所期望的那样，燃料供应220可为任何适当的燃料 供应和/或燃料源，例如导管送入式燃料供应(piped in supply of fuel)、燃料管线、燃料
储罐等。燃料流段205可包括有利于将燃料从燃料供应220供应到燃烧器燃烧室225的任 何数量的适当的流道、导管和/或歧管。在图2的实例实施例中，燃料流段205可包括第一 流道230、第二流道232、第三流道234以及第四流道236。可使用任何数量的适当的阀或类 似的设备来控制通过燃料流段205的流道的燃料流。例如，如图2中所示，截止比例阀238、 第一气体控制阀240以及第二气体控制阀242可有利于控制通过燃料流段205的燃料流。 阀238，240，242可如所期望的那样打开和/或关闭以控制燃料流。继续参照图2，燃料流可由第一流道230从燃料供应220中接收并且可通过截止比 例阀238提供给第二流道232。截止比例阀238可调节成在第二流道232中保持和/或试 图保持相对恒定的压力。例如，截止比例阀238可调节成试图在第二流道中的燃料容积中 保持相对恒定的压力。第二流道232可包括有利于将燃料流提供给多个涡轮机构件和/或 涡轮机构件内的多个位置的任何数量的分支和/或分岔。如图2中所示，第二流道232可 包括有利于将燃料流提供给与燃烧器燃烧室225相关联的两个相应的入口的两个分支。进一步参照图2，第二流道232的各分支可与相应的控制阀相关联。例如，第一控 制阀240可与第二流道232的第一分支相关联，而第二控制阀242可与第二流道232的第 二分支相关联。可使用控制阀240，242来控制在第二流道232的下游提供的燃料量。例如， 可使用第一控制阀240来控制从第二流道232提供给第三流道234的燃料量，该第三流道 234可操作成将燃料提供给燃烧器燃烧室225的第一入口。类似地，可使用第二控制阀242 来控制从第二流道232提供给第四流道236的燃料量，该第四流道236可操作成将燃料提 供给燃烧器燃烧室225的第二入口。可如所期望的那样调节各控制阀240，242，以控制允许 通过阀240，242的燃料量。例如，为了增加允许通过阀240，242的燃料量，阀240，242可调 节到比阀240，242的当前位置打开得更多的位置。作为另一个实例，为了减少允许通过阀 240,242的燃料量，阀240，242可调节到比阀240，242的当前位置关闭得更多的位置。如所 期望的那样，可彼此独立地控制阀240，242。例如，一个阀可打开，而另一个阀关闭，其中，结 果为燃料净增加或净减少。另外，在某些实施例中，阀238，240，242可包括控制阀238，240， 242的操作的一个或多个处理器或微处理器驱动的控制单元。如所期望的那样，这些控制 单元可将与阀238，240，242相关联的信息提供给系统200的其它构件，例如提供给控制器 215。如本发明的各种实施例中所期望的那样，可将多种多样的不同类型的燃料提供给 涡轮机和/或涡轮机构件。根据本发明的一个方面，燃料可为可压缩燃料。可用于本发明 的各种实施例中的可压缩燃料的一个实例为气体燃料，例如天然气。在一个实施例中，可将 气体燃料供应到燃气轮机的燃烧器。根据本发明的一个方面，当调节或改变燃料流时，可考虑燃料的可压缩性质。当改 变控制燃料流的一个或多个阀时，可能花一段时间来将可压缩燃料(例如天然气)调节到 新的燃烧器燃料流水平。例如，如果通过将控制阀调节到关闭得更多的位置来降低燃料流， 则可能存在一定量的处于控制阀的下游的流道中的过量燃料，并且可能花一些时间来将该过量燃料从流道中放出并且放出到燃烧器225中。作为另一个实例，如果通过将控制阀调 节到打开得更多的位置来增加燃料流，则可能花时间使足够量的燃料流入控制阀下游的流 道中并且达到适当的压力，以实现进入燃烧器225中的期望流率。本发明的实施例可有利于对流到涡轮机或涡轮机构件的燃料流建模。例如，本发 明的各种实施例可对燃料流段205中的燃料的流动、燃料流段205的各种构件的操作、以及 /或者接收燃料的一个或多个涡轮机构件中的燃料的行为建模。如果并且当调节燃料流时， 可使用建模来预测燃料流的行为。在某些实施例中，如下面更加详细地所解释的那样，当调 节燃料流时，可考虑对燃料流的建模。就此而言，可更加强烈地调节燃料流，以便实现对燃 料流的相对迅速的调节。在本发明的某些实施例中，燃料流的建模可至少部分地基于与燃料流相关联的测 量数据。就此而言，可实时或几乎实时地对燃料流建模。如所期望的那样，可使用一个或多 个传感器210来有利于监测燃料流和获得与燃料流相关联的测量数据。传感器210可包括 有利于测量与流到涡轮机构件(例如涡轮机的燃烧器燃烧室225)的燃料流相关联的各种 参数的任何数量的传感器。如本发明的各种实施例中所期望的那样，多种多样的不同参数 可由传感器210测量和/或监测。这些参数可与燃料流段205的各种构件相关联，例如第 一流道230、第二流道232、第三流道234、第四流道236、截止比例阀238、控制阀240，242和 /或燃烧器燃烧室225。可在本发明的各种实施例中测量和/或监测的参数的实例包括但 不限于，与燃料流段205的一个或多个相应的构件中的燃料流相关联的一个或多个压力、 与燃料流段205的一个或多个相应的构件中的燃料流相关联的一个或多个温度、与阀238， 240,242相关联的各种位置，和/或与接收燃料流的一个或多个涡轮机构件相关联的各种 参数(例如与燃烧器燃烧室225的喷嘴相关联的有效面积)。另外，可在本发明的各种实施 例中使用多种多样的不同类型的传感器。在某些实施例中，所使用的传感器可至少部分地 基于所测得的和/或所监测的参数。例如，可使用适当的压力传感器来获得压力读数，并且 可使用适当的温度传感器来获得温度读数。另外，如本发明的各种实施例中所期望的那样， 可对一个或多个所使用的传感器210的传感器响应建模，以进一步改进对可压缩燃料流的 控制。传感器210可测量与燃料流段205相关联的各种参数，并且在某些实施例中，传感 器210可将测量数据提供给控制器215。在一些实施例中，可实时或几乎实时地将测量数 据提供给控制器215。另外，可通过任何数量适当的连接(例如直接的接线连接)将测量 数据提供给控制器215，在这些连接中将模拟和/或数字测量数据提供给与控制器215相 关联的输入接口。在将模拟测量数据提供给控制器215的实施例中，控制器215可使用一 个或多个适当的模数转换器来将模拟数据转换成可由控制器215处理的数字数据。作为可 有利于将测量数据从传感器210传送到控制器215的适当连接的其它实例，如所期望的那 样，可使用一个或多个适当的网络或网络连接，例如局域网络、广域网络、互联网络、蜂窝网 络(cellular network)、射频(RF)网络、蓝牙网络连接、Wi-Fi网络连接、任何适当的有线 网络连接、任何适当的无线网络连接等。控制器215可为有利于对燃料流建模和/或至少部分地基于建模来调节燃料流的 处理器驱动的设备。例如，控制器215可包括任何数量的专用计算机或特定机器、专用电 路、可编程的逻辑控制器(PLC)、微控制器、个人计算机、微型计算机、大型计算机、超级计算机等。在某些实施例中，控制器215的操作可由计算机执行的或计算机实现的指令来控制， 这些指令由与控制器215相关联的一个或多个处理器执行。如本发明的各种实施例中所期 望的那样，指令可包含在一个或多个软件构件中。指令的执行可形成可操作成对燃料流建 模和/或至少部分地基于建模来调节或控制燃料流的专用计算机或其它特定的机器。控制 控制器215的操作的一个或多个处理器可结合到控制器215中和/或通过一个或多个适当 的网络与控制器215通信。在本发明的某些实施例中，控制器215的操作和/或控制可分 配在多个处理构件之中。控制器215可包括一个或多个处理器251、一个或多个存储器252、一个或多个输 入/输出(“I/O”)接口 253以及一个或多个网络接口 254。一个或多个存储器252可为 任何适当的存储器，例如，高速缓冲存储器、只读存储器、随机存取存储器、磁存储器等。一 个或多个存储器252可存储由控制器215使用的数据、可执行的指令和/或各种程序模块， 例如测量数据255、与燃料流段205相关联的数据256、操作系统257、燃料控制模块258以 及一个或多个燃料流模型259。测量数据255可包括从一个或多个传感器210接收到的任 何测量数据，例如压力测量和/或温度测量。数据256可包括与燃料流段205相关联的任 何其它适当的数据，例如，从一个或多个阀238，240，242中接收到的数据，与一个或多个阀 238，240，242相关联的存储数据、从燃料流段205的其它构件中接收到的数据、与燃料流段 205的其它构件相关联的存储数据(例如流道的直径、流道的长度等)、从一个或多个涡轮 机构件中接收到的数据、与一个或多个涡轮机构件相关联的存储数据、从一个或多个外部 控制系统270中接收到的数据、以及/或者从一个或多个数据源275中接收到的数据。操 作系统(OS) 257可包括有利于和/或控制控制器215的一般操作的可执行的指令和/或程 序模块。例如，0S257可有利于由处理器251执行其它软件程序和/或程序模块。根据本发明的一个方面，控制器215可包括有利于对燃料流段205和/或各种涡 轮机构件内的燃料的行为和/或流动建模和/或预测的一个或多个燃料流模型259，或者控 制器215可与该一个或多个燃料流模型259相关联。燃料流模型259可使用测量数据255 和/或数据256对燃料流段205内的燃料流建模。另外，燃料流模型259可对燃料流段205 的各种构件的行为和/或操作建模，例如阀238，240，242的行为和/或操作和/或所使用 的一个或多个传感器210的传感器响应。在某些实施例中，当从传感器210中接收测量数 据时，可实时或几乎实时地进行建模。如所期望的那样，可使用建模来控制燃料流段205内 的燃料流。例如，燃料控制模块258可使用由燃料流模型259提供的信息或数据，以通过调 节与燃料流段205相关联的各种阀238，240，242来控制燃料流。由于在控制燃料流时使用 了由燃料流模型259提供的信息，所以燃料控制模块258可以相对强烈的方式控制燃料流， 以获得燃料流的更加迅速的变化。如本发明的各种实施例中所期望的那样，可使用多种多样的不同模型。如图2中 所示，可使用歧管模型260、阀模型261和/或燃烧器模型262 ；但是，可使用任何数量的模 型。歧管模型260可对与燃料流段205相关联的一个或多个歧管或流道内的燃料和/或燃 料流建模。在一个实施例中，歧管模型260可对控制阀240，242和涡轮机的燃烧器燃烧室 225之间的可压缩燃料容积建模。歧管模型可考虑多种多样的因素。例如，歧管模型260可 对燃料和/或燃料流的可压缩动态特性和/或容积动态特性建模。如所期望的那样，歧管 模型260可使用各种测量，例如来自歧管内的温度测量、来自歧管内的压力测量、与将燃料供应到歧管的阀相关联的燃料流率测量等。如果和当对燃料流进行调节时，可使用这些测 量来在数据内对燃料流建模和/或预测燃料流的变化。另外，歧管模型260可如所期望的 那样使用其它数据，例如压力和热损失特性和/或与歧管相关联的预存储的数据(例如歧 管的长度、歧管的直径、歧管的容积等)。当对燃料流建模和/或预测时，可考虑其它数据。 歧管中的燃料流的所建模和/或所预测的行为可由歧管模型260提供给燃料控制模块258。 就此而言，当调节燃料流段205中的燃料流时，可考虑燃料和/或燃料流的可压缩动态特性 和/或容积动态特性。阀模型261可对在燃料流段205中使用的一个或多个阀(例如控制阀240，242和 /或截止比例阀238)的操作建模。将参照控制阀240来描述阀模型261的操作；但是，如 各种实施例中所期望的那样，可对任何数量的阀建模。如所期望的那样，阀模型261可对控 制阀240的操作建模和/或预测。控制阀240的当前定位可由模型从传感器210或从包括 在控制阀240中或与控制阀240相关联的控制单元或控制器中接收。另外，可接收和/或 使用与控制阀240相关联的其它数据来对控制阀240的操作建模和/或预测，例如控制阀 240的功能特性和/或操作特性。作为一个实例，阀模型261可使用与阀的运动能力和/或 阀240的振动特性相关联的数据以及阀240的当前定位，以便对阀240运动到新位置所花 的时间量建模和/或预测。阀240的建模和/或预测的操作可由阀模型261提供给燃料控 制模块258。就此而言，当调节燃料流段240中的燃料流时，可考虑阀240的操作特性。燃烧器模型262可对燃烧器燃烧室225内的燃料流和/或燃料的行为建模和/或 预测。虽然图2中示出了燃烧器模型262，但是如所期望的那样可使用其它类型的模型，以 对其它涡轮机构件中的燃料特性建模。如本发明的各种实施例中所期望的那样，燃烧器模 型262可考虑多种多样的测量、操作特性、参数和/或其它数据，例如燃烧器燃烧室225内 的燃料喷嘴的有效面积、燃烧室压力、燃烧室温度等。对流到燃烧器燃烧室225的燃料流的 建模和/或预测可由燃烧器模型262供应到燃烧控制模块258。就此而言，当调节燃料流段 240中的燃料流时，可考虑燃烧器燃烧室225内的燃料流行为。燃烧控制模块258可有利于调节燃料流段240内的燃料流。根据本发明的一个方 面，当调节燃料流时，燃料控制模块258可考虑对燃料流、阀和/或涡轮机构件的各种建模。 例如，燃料控制模块258可从燃料流模型259中接收数据，并且可使用接收到的数据来将燃 料流调节到目标燃料流。在某些实施例中，可响应于与涡轮机相关联的瞬态事件(例如甩 负荷、离开稳态状态的改变、迅速加载或卸载、到孤岛模式的步骤、失效总线闭合(dead bus closure)、切负荷(load shed)、处理负荷启动(deal load pickup)等)来调节燃料流。当 调节燃料流时，使用燃料流模型259时可考虑燃料的可压缩性性质。另外，可考虑阀(例如 控制阀240)的能力和/或操作。作为调节燃料流的一个实例，涡轮机可在稳态下操作。基于瞬态事件，可决定将燃 料流调节到新的目标流，例如减少的燃料流。在传统的燃料控制系统中，可将一个或多个控 制阀调节到与目标流相关联的定位；但是，燃料的可压缩性质可导致延迟实现目标流进入 燃烧器225中。换句话说，一旦改变了控制阀定位，就不能实现目标燃烧器流。在本发明的 各种实施例中，可相对强烈地调节燃料流，以便以更加迅速的方式实现目标流。例如，可将 阀燃料流调节到这样的水平，即，其过度补偿或超过适合于目标流的阀位置的变化，以便处 理燃料的可压缩性质和对燃料器燃料流的延迟作用。然后可将阀位置调节到适合于目标流的阀位置。就此而言，可相对迅速地对燃料流进行调节。下面参照图3、4A以及4B提供了 根据本发明的实施例的用于调节燃料流的几个实例。一个或多个输入/输出(“I/O”)接口 253可有利于控制器215和一个或多个输 入/输出设备(例如传感器210、通用串行总线端口、串行端口、磁盘驱动器、⑶-ROM驱动 器、红外接收器和/或有利于用户与控制器215交互的一个或多个用户接口设备，例如显示 器、键盘、鼠标、小键盘、控制面板、触摸屏显示器、远程控制器、话筒等)之间的通信。可使 用一个或多个I/O接口 253来接收或收集测量数据和/或来自多种多样的传感器和/或输 入设备的其它数据。一个或多个网络接口 254可有利于控制器215连接至一个或多个适当的网络280， 例如局域网络(LAN)、广域网络(WAN)、互联网络、蜂窝网络、射频网络、能使用蓝牙的网络、 Wi-Fi网络、任何有线网络、任何无线网络或能够传输数据的任何其它网络。就此而言，控制 器215可接收来自其它网络设备和/或系统(例如数据源275和/或外部控制系统270) 的测量数据和/或控制数据。另外，在一些实施例中，可使用网络接口 254来接收来自传感 器210的测量数据。如本发明的各种实施例中所期望的那样，控制器215可接收来自一个或多个传 感器210的测量数据。另外，在某些实施例中，控制器215可通过任何数量的适当的网络 280 (例如局域网络(LAN)、广域网络(WAN)、互联网络、蜂窝网络、射频网络、能使用蓝牙的 网络、Wi-Fi网络、任何有线网络、任何无线网络或能够传输数据的任何其它网络)来接收 来自一个或多个其它设备、网络设备、系统和/或外部数据源275的测量数据和/或其它数 据。在本发明的某些实施例中，外部数据源275可为与涡轮机的操作、涡轮机的一个或多个 构件、燃料流段205的一个或多个构件以及/或者系统100内的燃料的行为相关联的存储 数据源。在某些实施例中，控制器215可同时处理从传感器210接收到的实时数据或几乎 实时的数据和来自外部数据源275的存储数据，以提供燃料流的更加精确的模型和/或预 测。在其它实施例中，外部数据源275可包括实时或几乎实时的数据，并且可独立于一个或 多个传感器210或与一个或多个传感器210相结合联接至控制器215，以将测量数据提供给 控制器215。此外，在本发明的各种实施例中，控制器215可接收来自一个或多个外部控制 系统270的数据和/或至少部分地由一个或多个外部控制系统270控制，该一个或多个外 部控制系统270通过一个或多个适当的网络(例如网络280)与控制器215通信。如所期望的那样，本发明的实施例可包括带有比图2中所示的构件多或少的构件 的系统200。另外，本发明的实施例可适于在多种多样的不同机器(例如，燃气轮机、蒸汽轮 机、或接收和/或使用可压缩燃料的任何其它机器)中使用。图3是示出了根据本发明的一种说明性实施例的、用于控制流到涡轮机的燃料流 的一个实例方法300的流程图。当调节燃料流时，方法300可使用与燃料流相关联的各种 建模和/或预测。就此而言，当调节燃料流时，可考虑燃料的可压缩性质。方法300可在框305处开始。在框305处，可监测与流到涡轮机构件(例如图2 中所示的第三流道234、第四流道236和/或燃烧器燃料室225)的燃料流相关联的一个或 多个参数。如本发明的各种实施例中所期望的那样，可监测与燃料流相关联的多种多样的 参数，例如与燃料流段(例如燃料流段205)的一个或多个相应的构件中的燃料流相关联的 一个或多个压力、与燃料流段205的一个或多个相应的构件中的燃料流相关联的一个或多个温度、与控制燃料流的阀(例如阀238，240，242)相关联的各种位置，以及/或者与接收 燃料流的一个或多个涡轮机构件相关联的各种参数，例如与燃烧器燃烧室225的喷嘴相关 联的有效面积。如所期望的那样，参数可由一个或多个适当的传感器(例如图2中所示的 传感器210)监测。在框310处，与监测参数相关联的测量数据可从传感器210被传送到与燃料流相 关联的一个或多个模型，例如图2中所示的燃料流模型259。例如，测量数据可传送到可操 作成执行燃料流模型259的控制器(例如控制器215)并且控制器215可将有关的测量数 据相应地提供给各燃料流模型。可通过一个或多个适当的输入/输出接口和/或通过一个 或多个适当的网络(例如图2中所示的I/O接口 253和网络280)将测量数据传送到控制 器 215。在框315 (其在本发明的某些实施例中是可选的)处，与燃料流相关联的其它数据 可传送到一个或多个燃料流模型259。如本发明的各种实施例中所期望的那样，可使用多种 多样的其它数据，例如与流道相关联的尺寸、与一个或多个控制阀238，240，242相关联的 操作特性和/或能力、和/或与一个或多个涡轮机构件相关联的操作特性。例如，数据可传 送到控制器215，并且控制器215可将有关的数据相应地提供给各燃料流模型。可通过一个 或多个适当的输入/输出接口和/或通过一个或多个适当的网络(例如图2中所示的I/O 接口 253和网络280)将数据传送到控制器215。如所期望的那样，可从与各种涡轮机构件 相关联的控制单元(例如阀控制单元)中、从一个或多个外部数据源中和/或从一个或多 个外部控制系统中接收数据。在框320处，可使用测量数据和/或其它数据中的至少一部分来对燃料流建模。 可使用一个或多个燃料流模型259对燃料流建模和/或预测燃料流的行为。在某些实施例 中，当监测与燃料流相关联的各种参数时，可实时或几乎实时地监测燃料流。通过对燃料流 建模，当调节燃料流时，可考虑燃料的可压缩性质和可压缩性质对燃料流的调节的作用。例 如，可考虑燃料流的可压缩动态特性和/或容积动态特性。另外，在某些实施例中，当调节 燃料流时，可考虑用于调节燃料流的一个或多个阀的能力和/或操作。例如，可考虑将阀调 节到新位置所花的时间和/或阀的振动特性。另外，在某些实施例中，当调节燃料流时，可 考虑一个或多个涡轮机构件的能力和/或操作，例如，燃烧器构件225中的压力、燃烧器构 件225的一个或多个燃料喷嘴的有效面积等。在框325处，可确认(identify)新的目标燃料流。例如，涡轮机可在稳态下操作， 并且可决定使涡轮机在不同状态下操作。在某些实施例中，可响应于瞬态事件而做出决定。 涡轮机的新状态可具有可称为新的目标燃料流的相关联的燃料流。在框330处，可至少部分地基于燃料流的预测性建模来将燃料流调节到目标燃料 流。本发明的实施例可比传统系统更加迅速地对燃料流进行调节，因为改进了对燃料流的 理解以及与燃料流段205相关联的控制能力。例如，当调节燃料流时，可考虑燃料的可压缩 性质和/或控制阀240，242的能力。现在将论述将燃料流调节到目标燃料流的几个实例。将燃料流调节到目标流的一个实例包括将燃料流调节到小于当前燃料流的目标 水平。在传统系统中，当燃料流降低时，保持在歧管或流道中的某些量的燃料要花一些时间 放出，从而导致延迟实现燃烧器225中的目标水平。但是，本发明的实施例可在调节燃料流 时考虑燃料的可压缩性质。一旦确认了目标燃料流，控制阀240就可调节到与小于目标燃
12料流的燃料流相关联的位置。例如，控制阀240可调节到关闭位置。就此而言，燃料流可相 对迅速地减少，并且保持在流道中的燃料可相对迅速地放出。可对流道内的燃料流的行为、 控制阀240的能力、和/或接收燃料流的涡轮机构件(例如燃烧器燃烧室)内的燃料流的 行为建模。至少部分地基于建模，可决定阀何时应重新打开和/或重新定位到与目标燃料 流相关联的定位。就此而言，燃料流可以相对迅速的方式降低到目标水平。将燃料流调节到目标流的其它实例包括将燃料流调节到大于当前燃料流的目标 水平。在传统系统中，当燃料流增加时，由于增加的燃料流的压缩，因此当其进入流道时，可 能会发生一些延迟。但是，本发明的实施例在调节燃料流时，可考虑燃料的可压缩性质。一 旦确认了目标燃料流，控制阀240就可调节到与大于目标燃料流的燃料流相关联的位置。 例如，控制阀240可调节到完全打开的位置。就此而言，燃料流可相对迅速地增加，并且可 在流道中相对迅速地实现适合于目标燃料流的期望压力。可对流道内的燃料流的行为、控 制阀240的能力、和/或接收燃料流的涡轮机构件(例如燃烧室)内的燃料流的行为建模。 至少部分地基于建模，可决定阀何时应部分关闭和/或重新定位到与目标燃料流相关联的 定位。就此而言，燃料流可以相对迅速的方式增加到目标水平。方法300可在框330之后结束。在图3的方法300中描述的操作不必按图3中阐述的顺序执行，而是可按任何适 当的顺序执行。另外，在本发明的某些实施例中，可执行比图3中阐述的全部要素或操作多 或少的要素或操作。图4A和4B是示出了可由本发明的实施例促进的燃料流的实例变化的流程图。图 4A是示出了传统系统中的燃料流降低的实例的图表400。图表400绘制了燃料流随时间的 变化。图4A中示出了计算出的阀燃料流405和实际的燃烧器燃料流410。计算出的燃料流 405表示当调节燃料流时(例如当一个或多个阀从与初始燃料流415相关联的位置关闭到 与最终燃料流420相关联的位置时)传统系统期望的燃料流。实际燃料流410示出了当调 节一个或多个阀时的实际燃料流。如图所示，由于燃料的可压缩性质，典型地用于使燃料流 减小到最终燃料流420所花费的时间量比计算的时间量大。这些延迟可导致涡轮机的效率 损失，而且在一些情况下，会导致火焰损失和/或磨损增加、生命周期缩短、以及/或者对涡 轮机和/或各种涡轮机构件造成损害。图4B是示出了根据本发明的实施例的燃料流降低的实例的图表425。图表425 绘制了燃料流随时间的变化。图4B中示出了计算出的阀燃料流430和实际的燃烧器燃料 流435。计算出的燃料流430表示当调节燃料流时(例如当调节一个或多个阀时)期望的 燃料流。实际燃料流410示出了当调节一个或多个阀时的实际燃料流。如图所示，为了将 燃料流降低到目标水平，燃料流可从初始燃料流440降低到小于目标燃料流或最终燃料流 450的燃料流445。至少部分地基于对燃料流、燃料流系统的构件和/或各种涡轮机构件建 模，可然后将燃料流调节到最终燃料流450。就此而言，可以相对强烈和/或相对迅速的方 式调节燃料流。如图所示，实际燃料流435可以比传统系统更加迅速的方式降低到最终燃 料流450。对燃料流的更加迅速的调节可在涡轮机内导致效率增益，并且在一些情况下可导 致各种涡轮机构件的磨损降低。本发明的实施例可应用于各种类型的涡轮机，例如燃气轮机、蒸汽轮机等。本发明 的实施例还可应用于接收和/或使用可压缩燃料供应或可压缩流的其它类型的机器，例如往复式发动机、熔炉等。将显而易见的是，在前述说明书中采取/提供的任何实例仅仅被提 供以用于解释目的，并且不限制本发明的范围。上文中参照根据本发明的实例实施例的系统、方法、装置和/或计算机程序产品 的框图和流程图描述了本发明。将理解的是框图和流程图中的一个或多个框以及框图和流 程图中的框的组合分别可由计算机可执行的程序指令实现。同样，根据本发明的一些实施 例，框图和流程图中的一些框未必需要以所呈现的顺序执行，或者根本就未必需要执行。这些计算机可执行的程序指令可加载到通用计算机、专用计算机、处理器或其它 可编程的数据处理装置上以产生特定的机器，以使得在计算机、处理器或其它可编程的数 据处理装置上执行的指令产生用于实现流程图框或多个框中指定的一个或多个功能的手 段。这些计算机程序指令也可存储在计算机可读存储器中，该计算机可读存储器可引导计 算机或其它可编程的数据处理装置以特定的方式起作用，以使得存储在计算机可读存储 器中的指令产生包括实现流程图框或多个框中指定的一个或多个功能的指令手段的制品 (article ofmanufacture)。作为实例，本发明的实施例可提供计算机程序产品，其包括具 有包含在其中的计算机可读程序代码或程序指令的计算机可用介质，该计算机可读程序代 码适于执行来实现流程图框或多个框中指定的一个或多个功能。计算机程序指令也可加载 到计算机或其它可编程的数据处理装置上，以使得在计算机或其它可编程的装置上执行一 系列操作要素或步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机或其它可编程装置上 执行的指令提供用于实现流程图框或多个框中指定的功能的要素或步骤。因此，框图和流程图中的框支持用于执行指定功能的手段的组合、用于执行指定 功能的要素或步骤和用于执行指定功能的程序指令手段的组合。还将理解的是，框图和流 程图中的各个框以及框图和流程图中的框的组合可由专用的基于硬件的计算机系统执行， 该专用的基于硬件的计算机系统执行指定功能、要素或步骤，或者专用硬件和计算机指令 的组合。虽然已经结合目前认为是最实际的各种实施例描述了本发明，但应理解的是本发 明不限于公开的实施例，而是相反，意在涵盖包括在权利要求书的精神和范围内的各种修 改和等同布置。本书面描述使用实例来公开本发明(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设备或系统，以及执行任何结合的方法)。本发明的 可授予专利的范围限定在权利要求书中，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如 果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构要素，或者如果这种其它实例包 括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等同结构要素，则这种其它实例意在处于权利 要求书的范围之内。
权利要求
一种用于控制流到涡轮机构件的燃料流的方法(300)，所述方法(300)包括监测(305)与流到涡轮机构件的燃料流相关联的一个或多个参数；至少部分地基于所述一个或多个监测参数来对所述燃料流建模(310)；以及至少部分地基于所述燃料流的建模来将所述燃料流调节(330)到目标流。
2.根据权利要求1所述的方法(300)，其特征在于，监测(305)与燃料流相关联的一 个或多个参数包括监测下者中的至少一个通过有利于调节所述燃料流的一个或多个阀 (238，240，242)的流率、与所述燃料流相关联的压力或与所述燃料流相关联的温度。
3.根据权利要求1所述的方法(300)，其特征在于，对所述燃料流建模(310)包括下者 中的至少一个对与所述燃料流相关联的可压缩动态特性建模、对与所述燃料流相关联的 容积动态特性建模或对与有利于调节所述燃料流的一个或多个阀(238，240，242)相关联 的控制能力建模。
4.根据权利要求1所述的方法(300)，其特征在于，将所述燃料流调节(330)到目标流 包括促动控制供应到所述涡轮机构件的燃料的量的一个或多个阀(238，240，242)。
5.根据权利要求1所述的方法(300)，其特征在于，将所述燃料流调节(330)到目标流 包括使所述燃料流增加到比所述目标流大的燃料流；以及至少部分地基于所述燃料流的建模来将所述燃料流降低到所述目标流。
6.根据权利要求1所述的方法(300)，其特征在于，将所述燃料流调节(330)到目标流 包括使所述燃料流降低到比所述目标流小的燃料流；以及至少部分地基于所述燃料流的建模来将所述燃料流增加到所述目标流。
7.一种用于控制流到涡轮机构件的燃料流的系统(200)，所述系统(200)包括一个或多个传感器(210)，所述一个或多个传感器(210)可操作成监测与流到涡轮机构件的燃料流相关联的一个或多个参数；以及一个或多个处理器(251)，所述一个或多个处理器(251)可操作成接收来自所述一个 或多个传感器(210)的测量数据(255)，使用所述接收到的测量数据(255)中的至少一部分 来对所述燃料流建模，并且至少部分地基于所述燃料流的建模来将所述燃料流调节到目标 流。
8.根据权利要求7所述的系统(200)，其特征在于，所述一个或多个传感器(210)可操 作成监测下者中的至少一个通过有利于调节所述燃料流的一个或多个阀(238，240，242) 的流率、与所述燃料流相关联的压力或与所述燃料流相关联的温度。
9.根据权利要求7所述的系统(200)，其特征在于，所述处理器(251)可操作成通过对 与所述燃料流相关联的可压缩动态特性、与所述燃料流相关联的容积动态特性或与有利于 调节所述燃料流的一个或多个阀相关联的控制能力中的至少一个建模来对所述燃料流建 模。
10.根据权利要求7所述的系统(200)，其特征在于，所述一个或多个处理器(251)可 操作成通过促动控制供应到所述涡轮机构件的燃料的量的一个或多个阀来将所述燃料流 调节到目标流。
全文摘要
本发明涉及用于控制流到涡轮机构件的燃料流的系统(200)和方法(300)。可监测与流到涡轮机构件的燃料流相关联的一个或多个参数。可至少部分地基于一个或多个监测参数来对燃料流建模。可至少部分地基于燃料流的建模来将燃料流调节到目标流。
文档编号F02C9/28GK101876271SQ20101017521
公开日2010年11月3日 申请日期2010年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者D·A·斯奈德 申请人:通用电气公司