专利名称：用于在燃料控制系统中补偿燃烧效率的方法
技术领域：
本发明大体涉及利用气态燃料的燃气涡轮的操作，并且更具体地涉及在涡轮操作模式之间的过渡期间供应到燃气涡轮的气态燃料的控制。
背景技术：
工业和发电燃气涡轮具有带控制器的控制系统，该控制器监视并控制其操作。这些控制器管理燃气涡轮的燃烧系统，从而控制从冷起动历经基本负荷的各种操作模式。除了操作燃气涡轮以维持安全且有效的基本负荷操作并且同时避免燃烧动态之外，控制器必须维持燃气涡轮排放符合政府规定和合同义务且同时促进高效功率输出。控制器的控制功能在不同类型的燃气涡轮之间可不同，但可包括与起动控制、加速控制、速度控制、发电机负荷控制、压缩机控制、废气温度控制、入口导叶控制、排放控制和燃料控制等有关的功能。燃料控制是来自控制器的参考和燃料控制阀的反馈。燃料需求参考(有时称作燃料冲程参考)由各种涡轮参数来确定，诸如在各种涡轮操作模式中需要的速度和温度。燃气涡轮的起动包括随着燃料分级修改历经与越来越高的负荷和操作温度相关的多个级的过渡。表I说明了对于通用电气(General Electric)的一种类型的燃气涡轮的典型燃料分级模式。表 1
燃料分级模式
模式1
模式2
模式3
模式4
模式6燃料流调度可包括对于燃烧参考温度的要求，从而实现适合于特定燃料调度/焚烧器操作的指定值。设备控制算法也可在用于燃烧参考温度和其它参数的指定边界内推行此操作。传统燃气涡轮控制假定在不同燃气涡轮操作模式中恒定的燃烧器效率。但是，在气态燃烧模式与某个低负荷操作点之间的瞬态转变中，燃烧效率能在短期内快速地变化。 这种变化造成燃烧涡轮的操作中的若干问题，包括失败的气态模式转变和燃料控制中的振荡。因此，需要提供系统和方法以避免在模式转变期间的这些问题。
发明内容
简而言之，根据本发明的一方面，提供一种在用于燃气涡轮系统的燃料控制系统中补偿燃烧效率的方法，该燃气涡轮系统包括压缩机、燃烧器和燃气涡轮，其中涡轮控制系统采用模式逻辑用于控制燃气涡轮系统从起动历经基本负荷操作的操作参数。该系统根据涡轮控制系统的控制器提供燃料需求信号至燃料控制系统。该方法包括基于参考参数在涡轮控制系统中提供用于多个燃烧模式的燃烧器效率的编码信息。该方法还包括传感从开始燃烧模式到结束燃烧模式的燃烧模式转变。计算用于在燃气涡轮的开始燃烧模式下的操作条件的燃料需求信号和计算用于在结束燃烧模式下的操作条件的燃料需求信号。该方法根据算法偏置(bias)提供至燃料控制系统的燃料需求信号，该算法的技术效果是根据燃烧模式来校正燃烧器效率。根据本发明的另一方面，提供一种具有(多个)操作模式的燃气涡轮系统。该燃气涡轮系统包括压缩机、燃烧器和燃气涡轮；以及涡轮控制系统，其采用模式逻辑用于控制燃气涡轮系统从起动历经基本负荷操作的操作参数。该燃气涡轮系统还包括燃料控制系统。 该涡轮控制系统提供燃料需求信号至燃料控制系统，包括在燃气涡轮的操作模式之间的过渡期间基于操作参数对燃料需求信号的偏置。
当参看附图来阅读下文的详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在所有附图中，相似的附图标记表示相似部件，其中图1示出具有涡轮控制系统的示范性燃气涡轮；图2示出对于现有涡轮控制以及对于用于在转变期间补偿模式效率的算法的实施例，在从效率较高开始模式到效率较低结束模式的模式转变期间涡轮参考温度与时间的曲线图；图3示出根据本发明的实施例用于计算燃烧器效率的算法；图4示出在本发明的实施例中使用燃烧器效率η作为偏置信号以修改燃料需求信号；图5示出在本发明的另一实施例中使用燃烧器效率η作为乘数(multiplier)信号以修改燃料需求信号；以及图6示出根据本发明的实施例表示根据燃烧器效率在模式转变期间用于补偿燃料需求信号的方法的流程图。
具体实施例方式本发明的以下实施例具有许多优点，包括允许燃气涡轮燃烧器在气体燃料下运行直到基本负荷，其中模式转变在比先前可能的温度更低的温度下进行。在更低温度下的模式转变避免了在每个模式的高温结束处的操作，其中气态燃烧模式在其操作的高范围可具有不当特点，诸如高燃烧衬套温度、高振幅燃烧动态或可见排放的产生。由于在更低温度下进行模式转变，故燃气涡轮燃烧器可运行到基本负荷并且同时避免可见排放和这些其它不当操作特点。燃气涡轮的高效操作需要处理多个关键涡轮操作参数来确定用于可控制参数的最佳设置，诸如燃料流量和分配和进入空气流。这些操作参数包括压缩机入口和出口温度和压力、废气温度和压力等。由燃气涡轮生成的功率的控制通常通过进入燃烧器的燃料流量和空气流量的控制来实行。用于燃气涡轮的控制系统的一个实例是通用电气公司的Speedtronic Mark系列控制系统。该控制系统设计成满足所有燃气涡轮控制要求，包括速度和负荷控制功能，其用于在部分负荷条件和温度控制下控制燃料流量，这将燃料流量限制为与实现额定点火温度一致的最大值，并且经由入口导叶控制空气流量。在图1的方块图中示出示范性燃气涡轮控制系统100。在美国专利No. 5，857，321 中更详细地公开了这种控制系统，其公开内容以引用的方式结合到本文中。燃气涡轮控制系统100联接到燃气涡轮50以管理该涡轮的操作。该燃气涡轮50通常包括压缩机52、燃烧器M、涡轮区段56和废气出口 57。燃气涡轮50还通常联接到功率输出装置60，诸如发电机，其由涡轮50驱动。控制系统100包括控制器110，其联接成从多个源接收输入，该多个源诸如操作控制装置115和联接到涡轮50和功率输出装置60的多个传感器70。控制器110通常包括电子处理器，其适于响应于所处理的多个输入信号而生成多个控制信号。如本文所用的，“适于”等指的是包括电路且编程为能根据选定函数来处理表示涡轮操作参数的信号的装置， 选定函数能生成所需命令来控制涡轮操作。“响应于”或者“相对应地”生成信号通常指的是根据预定函数来处理信号，预定函数表示在一个或多个参数之间的关系且通常由数学方程来表示。控制器110可包括一个或多个电子型处理装置，诸如微处理器芯片、专用集成电路、信号调节电路等。可选地，光学信号处理器可用于某些应用中来控制系统，其中数据由光能传输。控制器110联接到涡轮促动器系统120，其用于维持或建立特定涡轮操作状况。举例而言但并无限制意义，促动器系统120通常包括空气流控制促动器122和燃料流促动器 124。空气流促动器122包括用于控制进入压缩机52内的空气流的装置，诸如用于入口导叶51的定位控制装置。同样，燃料流促动器IM包括用于控制到燃烧器的燃料流的一个或多个装置，诸如用于对进入燃烧器M内的燃料流进行节流的阀。在某些但并非所有的燃烧器中，这种燃料流可受到主区燃料控制阀53以及次区燃料控制阀55控制。控制器110也可联接到额外促动系统。控制器110联接成从多个传感器70接收信号，而传感器70又联接到燃气涡轮50 和负载60。这些传感器通常包括温度传感器、压力传感器、流量传感器、湿度传感器、速度传感器、火焰检测器传感器、阀位置传感器、导叶角传感器或类似传感器，其传感与燃气涡轮 50的操作有关的各种参数。如本文所用的，“参数”和类似术语指的是可用于限定涡轮50 的操作条件的术语，诸如在涡轮中的限定位置处的温度、压力和流量，其可用于表示给定涡轮操作条件。传感器70通常经由诸如端子板等的传感参数联接装置130而联接到控制器 110。控制器110还包括用于表示涡轮操作条件的处理装置140，诸如利用表示选定涡轮操作参数的电信号。这种涡轮操作条件信号可直接传感，诸如选定温度或压力，或者替代地，对于难以(或不能)直接测量(或传感)的操作条件参数，可包括计算值(即，从嵌入于控制器110处理器编程中的模型来确定)。通常，所计算的涡轮操作条件参数表示涡轮的内循环参数，即不能直接测量但可由表示非线性方程集合的数学模型表示(至少在所传感的输入值的较窄范围上)的值。所计算的涡轮的一种这样的内部操作参数是燃烧参考温度。燃烧参考温度，虽然不表示在涡轮中的特定物理温度，但与燃烧器中的热产生有关且仍然是管理多个关键功能(critical function)的重要控制变量。举例而言，燃烧参考温度与燃烧器中的平均燃料-空气比极为相关且因此用于控制燃料到燃烧器的各个部分的分流。涡轮操作条件信号140又联接到促动器系统控制信号处理器150，用于生成与涡轮操作条件信号相对应的控制信号给涡轮促动器系统120，用于实施预先编程或输入控制策略。举例而言，燃料需求信号125可提供给涡轮促动器120的燃料控制系统124。这些燃料需求信号125可提供为燃料冲程参考。根据本发明的方面，控制器100还可包括用于燃烧器效率的查找表/传递函数160 和燃料需求偏置或乘数算法170，从而对于在涡轮操作模式之间的过渡中的燃烧器效率变化，帮助补偿燃料需求控制信号125，如将在下文中更详细地描述。燃烧器可取决于涡轮操作模式效率较高或效率较低地操作。燃烧器可容纳多组燃料喷嘴，其中不同喷嘴组具有不同的特征和性能。根据各种涡轮操作模式，某些喷嘴组可提供燃料，而其它闲置，且在相同组内某些喷嘴、无喷嘴或所有喷嘴可提供燃料。因此，在燃烧器中递送的燃料的样式和位置将不同且影响燃烧效率。在两种燃烧模式之间的燃烧器效率差异在低燃烧参考温度下很大，且在更高燃烧参考温度下倾向于缩小。这在用于模式转变的开始模式具有高燃烧器效率且结束模式具有低燃烧器效率时导致燃烧器参考温度的大瞬时降低，或者在执行相反转变时导致大尖峰。温度降低可导致燃烧器中贫燃熄火(lean blowout)，或者如果涡轮降低到低于零兆瓦则导致发电损失(迫使发电机断路器断开)。温度尖峰可传播到废气且由于过高废气温度导致涡轮停机。在不使用燃烧效率补偿的情况下，可仅仅通过在更高温度下转变来避免这些问题，在更高温度下，在开始模式与结束模式之间的燃烧效率差异更小。这引入了新问题，因为气态燃烧模式在其操作高范围可具有不当特点，诸如高燃烧衬套温度、高振幅燃烧动态或者产生可见排放。图2示出在模式转变期间涡轮参考温度与时间的曲线图。该曲线图包括说明在现有涡轮控制系统下从效率较高开始模式到效率较低结束模式转变的一个曲线200。该曲线图还包括说明根据本发明的实施例从效率较高开始模式转变到效率较低结束模式但由燃烧器效率算法补偿的另一曲线250。到效率较低结束模式的未补偿模式转变导致与效率较高开始模式中所存在的情况相比在结束模式中来自燃料控制系统需要的燃料需求的更低功率输出。因此，对于相同的初始燃料需求，在转变之后紧接着提供更少的功率输出。在燃烧器中发展更少能量的情况下，取决于在模式之间的燃烧效率的量值差，涡轮参考温度可急剧降低。最终，在结束模式，控制系统将调节燃料需求以供应适量燃料到燃烧器来建立结束模式的调度燃烧参考温度。但是，瞬时地，如果温度降低，由于初始功率降低不足够大，故可导致贫燃熄火。避免在这种转变期间燃烧参考温度降低得太低的先前方案是对于稳态操作将燃烧参考温度维持在人为高值。但是，已知这些高燃烧参考温度产生不当的高燃气涡轮排放。参看图2，最初在模式转变时，到燃烧器的喷嘴的燃料管线的预填充导致功率和燃烧器参考温度的小初始增加210。在切换到效率较低结束燃烧模式的情况下，产生更少功率，导致涡轮参考温度显著降低215。更低的涡轮参考温度促使系统控制器提供增加的燃料需求，这帮助使涡轮参考温度变向220且然后使之升高。涡轮参考温度然后在高端超调 (overshoot) 225。这种瞬态在结束模式中需要的涡轮参考温度下随着时间循环且趋于平缓 230。根据本发明的一方面，提供一种系统和方法，其补偿燃气涡轮操作模式之间的燃烧效率变化，以便允许在从排放观点的期望范围内建立稳态燃烧参考温度，同时避免在燃烧效率较高开始模式到效率较低结束模式的模式转变期间的贫燃熄火。也缓冲了用于从效率较低开始模式到效率较高结束模式的瞬态的燃烧参考温度超调。可准备参考数据，其包括燃烧器效率，作为用于每种操作模式的涡轮参考参数的函数。涡轮参考参数可为燃烧参考温度。参考数据可合并到涡轮控制系统100内的控制器 110的存储器170内，作为查找表、传递函数或用于存取这些数据的其它已知方式。对于每种气态燃烧模式，可在若干稳态点确定燃烧器效率(η)。当通过标准操作逻辑检测气态模式转变时，算法接收开始模式和结束模式，其将用于存取查找表或传递函数。在气态模式转变期间，预测燃烧器效率n基于转变进程在每种模式的预测效率之间斜坡变化。此计算的预测燃烧器效率用于以l/n来偏置燃料需求，使得在喷嘴处实际消耗的燃料量为所请求量的100%。当启动在开始模式与结束模式之间的转变时，燃料需求参数使用存储于存储器中的参考数据补偿在燃烧器参考温度下的结束模式的效率差。在从效率较高开始模式到效率较低结束模式的瞬态中，结果是提供额外燃料，额外燃料将倾向于支持在燃烧器中生成的能量，限制燃烧器参考温度中的上述降低且增加贫燃熄火的裕度。图3示出根据本发明的实施例用于计算燃烧器效率的算法。涡轮控制系统包括涡轮操作模式逻辑310，其限定何时且在何种情况下可发生在涡轮操作模式之间的转变。当启动转变时，通过操作者行为或自动涡轮控制，提供关于第一(开始)模式与第二(结束)模式的信息。然后从参考数据关于用于开始模式的燃烧效率执行查找320且基于燃烧参考温度对于用于结束模式的燃烧器效率执行查找325。关于燃料需求，模式转变可合并喷嘴变化和到喷嘴中每一个的流量。流量可在某些喷嘴中减小且在其它喷嘴中增加，对于流量减小， 大体上为斜坡下降，且对于流量增加，大体上为斜坡上升。在过渡状态期间，燃料流表示从开始模式的燃料流条件到结束模式的燃料流条件的变化态。在此过渡状态中，从查找表存取关于开始模式的开始模式效率且从查找表存取关于结束模式的结束模式效率。加权瞬态效率330可基于模式转变进行的程度来计算。如果该转变进行了例如10%，则瞬态效率可计算为 rI瞬态=0. 9 η开始模式+0. 1 n结束模式。 如果该转变进行了例如90%，则瞬态效率可计算为η瞬态=0. 1 η开始模式+0. 9 η结束模式。可在转变过程中重复η瞬态计算且瞬态效率值可用于校正到燃料控制系统的燃料需求信号。对于模式内的稳态操作，从用于当前模式的参考数据340来查找燃烧器效率Jla^根据从模式逻辑310提供的操作条件，从瞬态效率和稳态效率选择350计算360的效率值。
燃烧器效率η可用作偏置信号来修改燃料需求信号，如在图4中所示。此处， 在瞬态或稳态的基础上，模式逻辑310和燃烧参考温度410用在计算的燃烧效率插值 (interpolation)420中，从而产生η430。燃烧效率η合并为偏置信号。燃料需求偏置信号440可表示为(1/11-1)*(燃料需求)。加到燃料需求信号450，结果变成l/il*燃料需求，其技术效果为补偿发送到燃料控制阀470的燃料阀冲程465中的燃烧模式效率。可选地，效率可用作直接乘数，如图5所示。模式逻辑310和燃烧参考温度用于在瞬态或稳态的基础上在计算的燃烧效率插值420中产生11430。燃烧效率η430合并为乘数信号。燃料需求乘数信号445可表示为(1/η)*(燃料需求)。乘以燃料需求信号450，结果变成l/il* 燃料需求，其技术效果为补偿发送到燃料控制阀470的燃料阀冲程465中的燃烧模式效率。虽然模式效率校正可期望地用于气体燃料的操作，但是这种校正也可适用于同时采用液体燃料的模式过渡。这种效率校正还可适用于与模式变化无关的过渡，其中过渡可发生于各种不同能量含量的燃料使用之间，导致到燃烧器的能量递送的显著变化，影响燃烧输出和因此燃烧器参考温度。再次参看图2，在用于燃烧效率校正的算法实施例下，在开始模式期间的效率较高燃烧到结束模式期间的效率较低燃烧的模式转变期间相对燃烧参考温度与时间的曲线图 250。最初在转变时，燃料管线的预填充导致功率和燃烧器参考温度的初始增加沈0。在转变期间，如上文所述，对于从开始模式的效率较高燃烧到效率较低燃烧的结束模式转变， 燃料需求信号由偏置nJfts瞬时补偿。结束的效率较低燃烧模式产生比开始模式更少的功率，导致涡轮参考温度降低沈5，但因为由于偏置燃料需求信号，提供给燃烧器的燃料量增加，故温度的瞬时降低265与图1的未补偿瞬态200相比较不严重。降低的涡轮参考温度， 以及降低的涡轮参考温度促使系统控制器提供更多的燃料需求，这帮助使涡轮参考温度 270变向且然后使之升高。涡轮参考温度然后在高端超调275。这种瞬态在结束模式中需要的涡轮参考温度下随着时间循环且趋于平缓观0。图6示出表示根据燃烧器效率在模式转变期间用于补偿燃料需求信号的方法的流程图。该方法调用控制系统，对于该控制系统而言，对于每种模式对燃料效率相对于燃烧参考温度的参考数据进行编码。在步骤510，系统控制器识别模式变化的启动。在步骤520， 识别用于模式变化的开始模式和结束模式。在步骤530，供应当前燃烧器参考温度。在步骤M0，根据查找表或传递函数来确定开始模式和结束模式中燃烧器效率的值，查找表或传递函数可包括在用于燃烧参考温度的值之间的插值。在步骤550，对于进程中的模式转变计算瞬态燃烧器效率。在步骤560，施加瞬态燃烧效率以偏置燃料需求信号。响应于偏置的燃料需求信号，当切换到效率较低燃烧器模式时更多燃料瞬时地供应到燃烧器，且当切换到效率较高燃烧器模式时更少燃料瞬时地供应到燃烧器。在步骤560中确定是否完成了模式转变。如果在步骤570模式转变仍在进行中，则步骤530-560重复以提供新瞬态效率偏置给燃料需求信号。在步骤560，如果模式转变完成，则该过程返回到步骤510以判断模式变化是否在进行中。在步骤575，如果没有模式变化在进行中，则接收当前模式状态。在步骤580，接收燃烧参考温度。在步骤585，查找用于燃烧参考温度的当前模式的燃烧效率。 然后在步骤590中施加燃烧效率以偏置燃料需求信号。虽然在本文中描述了各种实施例，但是从说明书应了解，元件的各种组合、变化或改进可在本文中进行并且在本发明的范围内。
权利要求
1.一种在燃气涡轮系统的燃料控制系统中补偿燃烧效率的方法，所述燃气涡轮系统包括压缩机、燃烧器和燃气涡轮，其中涡轮控制系统采用模式逻辑用于控制从起动历经基本负荷操作的所述燃气涡轮系统的操作参数，其中，燃料需求信号根据所述涡轮控制系统的控制器提供至燃料控制系统，所述方法包括基于参考参数在涡轮控制系统中提供用于多个燃烧模式的燃烧器效率的编码信息；传感从开始燃烧模式到结束燃烧模式的燃烧模式转变；计算用于在所述燃气涡轮的开始燃烧模式下的操作条件的燃料需求信号；计算用于在所述结束燃烧模式下的操作条件的燃料需求信号；根据算法偏置提供至燃料控制系统的燃料需求信号，所述算法的技术效果是根据燃烧模式来校正燃烧器效率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用于所述编码信息的参考参数是燃烧器参考温度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，燃烧器效率是稳态燃烧器效率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供步骤包括将涡轮控制系统中用于燃烧器效率的所述编码信息存储为基于燃烧参考温度的传递函数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将涡轮控制系统中用于燃烧器效率的所述编码信息存储为基于燃烧参考温度的查找表。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，偏置所述燃料需求信号的步骤包括添加(1/η-1)*燃料需求的偏置信号至所述燃料需求信号，其中η是燃烧效率。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括根据在具有燃烧器效率Jlfffess 的开始燃烧模式与具有燃烧效率n 的结束燃烧模式之间的过渡过程，在燃烧模式变化期间重复地施加瞬态燃烧效率n Jfts至用于燃料需求的所述偏置信号。
8.一种具有操作模式的燃气涡轮系统，所述燃气涡轮系统包括压缩机、燃烧器和燃气涡轮；涡轮控制系统，其采用模式逻辑用于控制从起动历经基本负荷操作的所述燃气涡轮系统的操作参数；燃料控制系统；从所述涡轮控制系统到所述燃料控制系统的燃料需求信号，包括在所述燃气涡轮的操作模式之间的过渡期间基于操作参数对所述燃料需求信号的偏置。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮系统，其特征在于，对所述燃料需求信号的偏置是基于根据模式的燃烧效率的操作参数。
10.根据权利要求8所述的燃气涡轮系统，其特征在于，所述涡轮控制系统包括在开始操作模式下用于所述燃料控制系统的燃料需求计算和在结束操作模式下用于所述燃料控制系统的燃料需求计算。
全文摘要
本发明涉及用于在燃料控制系统中补偿燃烧效率的方法。提供在操作模式之间的过渡期间对燃气涡轮控制器的燃料需求信号的补偿。该补偿调整燃料需求以考虑在开始操作模式与结束操作模式之间的燃烧效率差，这种燃烧效率差原本可导致燃烧参考温度的剧烈波动和贫燃熄火。
文档编号F02C9/28GK102374034SQ20111025770
公开日2012年3月14日 申请日期2011年8月10日 优先权日2010年8月10日
发明者M·J·休斯, W·F·西利 申请人:通用电气公司