用于燃气涡轮操作的系统和方法
【专利摘要】本发明公开一种系统，所述系统包括控制器，所述控制器配置用于基于燃气涡轮发动机的一个或多个部件的反馈和预期寿命来控制所述燃气涡轮发动机的一个或多个参数，以便响应于所述燃气涡轮发动机的退化或结垢而将功率输出或热耗率中的至少一个大体上维持在阈值水平以上。
【专利说明】用于燃气涡轮操作的系统和方法
【技术领域】
[0001]本说明书所公开的主题涉及燃气涡轮发动机，并且更为确切地说涉及用于在燃气涡轮发动机的产品寿命期内维持某些燃气涡轮运行特性的系统和方法。
【背景技术】
[0002]燃气涡轮发动机总体上包括压缩机、燃烧室以及涡轮机。压缩机压缩来自进气口的空气，并且随后将压缩空气引向燃烧室。在燃烧室中，从压缩机接收的压缩空气与燃料混合并燃烧，以便产生燃烧气体。将燃烧气体引入涡轮机中。在涡轮机中，燃烧气体对着并且围绕涡轮机的涡轮叶片流动，从而驱动涡轮机和任何外部载荷的旋转。外部载荷可包括发电机。随着燃气涡轮发动机的运行，各部件可能退化(degrade)和/或结垢(foul)，从而导致在系统寿命期内性能的降低。降低的性能可以表现为燃气涡轮发动机输出和/或效率的降低和运行成本的增加。
【发明内容】
[0003]下文概述了与最初提出权利要求的本发明的范围相符的某些实施例。这些实施例并不意图限制本发明的范围，相反，这些实施例仅意图提供本发明的可能形式的简述。实际上，本发明可以涵盖可与下述实施例类似或不同的各种形式。
[0004]根据本发明的一方方面，提供一种系统，所述系统包括控制器，所述控制器配置用于基于燃气涡轮发动机的一个或多个部件的反馈和预期寿命来控制燃气涡轮发动机的一个或多个参数，以便响应于所述燃气涡轮发动机的退化(degradation)而大体上对抗(counter)阈值水平以上的功率输出或效率中的至少一个的降低。
[0005]根据本发明的另一个方面，提供一种系统，其包括:控制器，所述控制器配置用于基于燃气涡轮发动机的一个或多个部件的反馈和预期寿命来控制所述燃气涡轮发动机的一个或多个参数，其中所述控制器包括设置在非瞬时性机器可读介质上的指令，其中所述指令配置用于:运行所述燃气涡轮发动机；基于所述燃气涡轮发动机在基本负载下的新的和洁净运行而确定基本功率输出、基本热耗率或其组合；获得校正参数；至少部分基于所述基本功率输出、所述基本热耗率或其组合以及所述校正参数而确定目标功率输出、目标热耗率或其组合；监控所述燃气涡轮发动机的功率输出、热耗率或其组合；比较所述功率输出与所述目标功率输出，比较所述热耗率与所述目标热耗率或其组合；并且调整所述燃气涡轮发动机的所述一个或多个参数，以使得所述功率输出与所述目标功率输出之间的差、所述热耗率与所述目标热耗率之间的差或其组合小于阈值，其中所述功率输出与所述目标功率输出之间的所述差、所述热耗率与所述目标热耗率之间的所述差或其组合至少部分由所述燃气涡轮发动机的退化和/或结垢而导致。
[0006]进一步的，其中所述功率输出或热耗率中的至少一个在基本输出值的大约10%内，其中所述基本输出值基于所述燃气涡轮发动机在新的和洁净运行下的基本输出值。
[0007]进一步的，其中所述控制器配置用于控制包括所述燃气涡轮发动机的电厂的运转。
[0008]进一步的，其中所述控制器包括存储器和至少一个处理器。
[0009]进一步的，其包括配置用于向所述控制器产生输入信号的传感器，其中所述输入信号指示所述燃气涡轮发动机的所述参数。
[0010]进一步的，其中所述传感器包括周围温度传感器、周围压力传感器、周围湿度传感器、压缩机进口温度传感器、进口压力传感器或排气口压力传感器中的至少一个或其组合。
[0011]进一步的，其包括配置用于调整所述燃气涡轮发动机的运行条件的致动器。
[0012]进一步的，其中所述致动器包括进口导叶致动器或燃料流动控制阀致动器中的至少一个或其组合。
[0013]根据本发明的另一个方面，提供一种方法，其包括:运行燃气涡轮发动机；基于所述燃气涡轮发动机在基本负载下的新的和洁净运行而确定基本输出值；获得校正参数；至少部分基于所述基本输出值和所述校正参数而确定目标输出值；监控所述燃气涡轮发动机的输出值；比较所述输出值与所述目标输出值；并且调整所述燃气涡轮发动机的运行条件，以使得所述输出值与所述目标输出值之间的差小于阈值，其中所述输出值与所述目标输出值之间的所述差至少部分由所述燃气涡轮发动机的退化和/或结垢而导致。
[0014]进一步的，其中所述输出值包括功率输出或热耗率中的至少一个或其组合。
[0015]进一步的,其中所述基本输出值对应于新的燃气涡轮发动机或洁净的燃气涡轮发动机或其组合的运行。
[0016]进一步的，其中所述校正参数包括周围温度、周围压力、周围湿度、压缩机进口温度、进口压力损失或排气口压力损失中的至少一个或其组合。
[0017]进一步的，其中所述运行条件包括点火温度、排气口温度、燃料流率、排放物流率或进口导叶角度中的至少一个或其组合。
[0018]进一步的，其包括维持所述运行条件小于最大运行条件。
[0019]进一步的，其中所述最大运行条件至少部分基于所述燃气涡轮发动机的部件在所述基本负载下的预期寿命。
[0020]根据本发明的另一个方面，提供一种方法，其包括:运行燃气涡轮发动机；基于所述燃气涡轮发动机的基本负载而确定基本输出值；确定所述燃气涡轮发动机的第一部件在所述基本负载下的预期寿命；确定所述燃气涡轮发动机的一个或多个部件的目标寿命；至少部分基于所述基本输出值和所述目标寿命而确定计算的输出值；监控所述燃气涡轮发动机的输出值；比较所述输出值与所述计算的输出值；并且调整所述燃气涡轮发动机的运行条件，以使得所述输出值与所述计算的输出值之间的差小于阈值。
[0021]进一步的，其中所述目标寿命基于所述燃气涡轮发动机的至少一个预期的关机。
[0022]进一步的，其中所述燃气涡轮发动机的所述预期的关机基于对所述燃气涡轮发动机的、不同于所述第一部件的第二部件的更换或修理。
[0023]进一步的，其中所述目标寿命小于所述预期寿命。
[0024]进一步的，其中所述计算的输出值大于所述基本输出值。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]在参阅附图来阅读以下详细说明后，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面以及优点，在附图中，相同的附图标记代表所有附图中相同的部分，其中:
[0026]图1是并入用于在产品寿命期内维持所希望的燃气涡轮系统运行特性的系统和方法的燃气涡轮系统的实施例的示意性框图；
[0027]图2是用于维持图1的燃气涡轮系统的输出的方法的实施例的流程图；
[0028]图3是用于维持图1的燃气涡轮系统的部件的产品寿命的方法的实施例的流程图；
[0029]图4是示出燃气涡轮功率的变化随进口导叶(IGV)角度和点火温度的变化而变化的图；并且
[0030]图5是示出燃气涡轮热耗率(heat rate)的变化随进口导叶角度和点火温度的变化而变化的图。
【具体实施方式】
[0031 ] 下文将描述本发明的一个或多个具体实施例。为了简要描述这些实施例，可能不会在说明书中描述实际实施方案的所有特征。应了解，在任意工程或设计项目中开发任意此类实际实施方案时，均应当做出与实施方案特定相关的各种决定，以实现开发人员的特定目标，例如，是否要遵守与系统相关以及与业务相关的限制，这些限制可能会因实施方案的不同而有所不同。此外，应了解，此类开发可能非常复杂耗时，但无论如何对受益于本发明的一般技术人员而言，此类开发仍是常规的设计、建造和制造操作。
[0032]在介绍本发明的各种实施例的元件时，“一个”和“所述”意图表示存在一个或多个这种元件。术语“包括”和“具有”意图表示包括性含义，并且意指除了所列元件外，可能还有其他元件。
[0033]如下文所详细论述，所公开的实施例提供了用于相对于燃气涡轮发动机的部件的产品寿命而维持燃气涡轮发动机的输出值的系统和方法。在新的并且洁净的状态下，燃气涡轮发动机通常产生最有利的输出，所述输出可称为基本输出值。为了保持燃气涡轮发动机的效率和成本有效性，可能希望在(或大约在)所述一个或多个基本输出值下维持燃气涡轮发动机的运行。可将总体上基于环境条件的至少一个校正参数应用于基本输出值，以便确定燃气涡轮发动机的涡轮机的目标输出值。可通过调整燃气涡轮发动机的至少一个运行条件来在燃气涡轮发动机的整个产品寿命期间维持所述目标输出值。
[0034]例如，可监控和维持的输出值可包括(但不限于)功率输出、热耗率或其组合。燃气涡轮发动机的功率输出可以是在轴旋转时所产生的电力输出并且可以瓦特为单位进行测量。燃气涡轮的热耗率类似于效率测量值，因为它是将进入燃气涡轮中的燃料的能量值(energy value)与燃气涡轮的功率输出相比较(例如，热耗率等于燃料流率乘以燃料发热量再除以燃气涡轮的功率输出)。进一步来说，可调整的运行条件可包括(但不限于)点火温度、排气口温度、燃料流率、燃料组成(例如，一种或多种燃料)、燃料发热量、氧化剂(例如，空气、富氧空气、低氧空气或纯氧)的氧含量、燃料-空气比、燃料温度、燃烧动力学、排放物流率、进口导叶角度或其组合。以这种方式，可使燃气涡轮发动机的输出值维持在大约基本输出目标值，以便提高系统的效率，而不会对系统的产品寿命或维修计划产生不利影响。然而，在替代实施例中，可调整燃气涡轮发动机的运行条件，以使得燃气涡轮发动机的输出值充分大于或小于目标输出值，以便符合燃气涡轮发动机的产品寿命或维修计划要求。例如，如果燃气涡轮发动机部件的维修关机是安排在涡轮机的产品寿命结束之前，那么可调整燃气涡轮发动机的运行条件，以使得输出值超过基本输出目标值而无任何维修影响。以这种方式，可在所安排的停机之前从燃气涡轮发动机得到最大功率输出和/或热耗率。燃气涡轮发动机可并入控制器和一个或多个传感器，以便监控和调整燃气涡轮发动机的输出值和运行条件。
[0035]现在转而参看附图，图1示出具有燃气涡轮发动机12的燃气涡轮系统10的实施例的框图。如下所述，系统10包括控制系统36，所述控制系统配置用于监控和控制燃气涡轮发动机12的各方面，以便对抗性能的退化和/或降低，并尤其是响应于所监控的反馈来维持基本负载输出、热耗率和各种其他输出。燃气涡轮系统10可使用液体或气体燃料(例如天然气和/或合成气)来驱动燃气涡轮系统10。如所描绘，一个或多个燃料喷嘴14可通入燃料供应16。随后，每个燃料喷嘴14将燃料与氧化剂(例如，空气)混合，并且可将燃料-空气混合物分配到燃烧室18中。多个燃烧室18可围绕燃气涡轮发动机12周向地布置。在燃烧室18内发生燃料与空气之间的进一步混合。尽管燃料喷嘴14示意性地示出为在燃烧室18外部或与所述燃烧室分开，但所述燃料喷嘴可设置在燃烧室18内部。燃料-空气混合物在燃烧室18的室中燃烧，从而产生热的、增压燃烧气体。燃烧室18引导燃烧气体穿过涡轮机20并且朝向排气出口 22。当燃烧气体穿过涡轮机20时，气体迫使涡轮机20内的叶片带动轴24沿燃气涡轮系统10的纵轴旋转。
[0036]如所示，轴24连接到燃气涡轮系统10的各种部件(包括压缩机26)上。压缩机26还包括联接到轴24上的压缩机叶片。当轴24旋转时，压缩机26内的压缩机叶片也旋转，从而压缩来自进气口 30的周围空气28。进气口 30可通过一系列进口导叶32进给(feed)周围空气28，所述进口导叶控制输送到压缩机26中的周围空气28的量。IGV32可以能够设置成一定角度，该角度可增加或减小以便允许更少或更多的周围空气28进入压缩机26中。轴24还可联接到负载34上，所述负载可为汽车或固定负载，例如像电厂中的发电机或飞机上的螺旋桨。负载34可包括能够由涡轮系统10的旋转输出提供动力的任何合适装置。
[0037]控制系统36可用来控制燃气涡轮发动机12的运行，以便提高燃气涡轮系统10的运行效率。例如，控制系统36可用来监控和调整燃气涡轮发动机12的各种参数。具体来说，控制器38可包括存储在非瞬时性、机器可读介质(例如，存储器37)上的且可在一个或多个处理器39上执行的指令。控制器38还可与多个传感器40通信，以便监控燃气涡轮发动机12的各方面。在某些实施例中，控制器38可包括工业控制器38，例如具有2个、3个或多个处理器39的双重冗余控制器或三重冗余控制器。例如，处理器39可包括通用或专用微处理器。在一些实施例中，控制器38可包括专用或通用计算机。同样，存储器37可包括易失性和/或非易失性存储器、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存、硬盘驱动器、可移动磁盘驱动器和/或可移动磁盘(例如，⑶、DVD、BluRay光盘、USB笔式驱动器等)或其任意组合。不管特定部件如何，存储在存储器37上的指令可专门设计来实施所公开实施例的各种监控、分析和控制功能。在所描绘的实施例中，控制器38可与传感器40交互作用，所述传感器包括排气口温度传感器42、周围空气温度传感器44、周围空气压力传感器46以及IGV角度传感器48。进一步来说，控制器38可与致动阀50和IGV致动器52交互作用，以便调整燃气涡轮发动机12的运行，如下文所详细描述。
[0038]图2是描绘用于在燃气涡轮发动机12的整个产品寿命期(如由操作员、制造者等来确立)内维持燃气涡轮发动机12的输出，从而提高燃气涡轮发动机12的效率的方法70的流程图。在某些实施例中，方法70可包括存储在存储器37上并且可由控制器38的处理器39执行的指令或代码。因此，方法70的每个步骤可包括此类指令或代码，并且还可使用传感器反馈、数学算法、计算机/数学模型、历史数据和趋势、查找表、基于知识库的数据、专家数据、市场/价格数据等。如先前所提及，燃气涡轮发动机12可在为新的和/或洁净的机组时产生最大输出。然而，在燃气涡轮发动机12的整个产品寿命期内，燃气涡轮发动机12的内部部件可能退化，从而导致输出和效率的降低。因此，在燃气涡轮发动机12的初始运行期间(方框72)，基本输出值可确定为对应于涡轮机在新的和/或洁净的运行期间的输出值(方框74)。例如，基本输出值可为功率输出和/或热耗率。可将所述基本输出值存储在控制系统36中(例如，存储在存储器37中)，以便与当燃气涡轮发动机12在整个运行中退化和/或结垢时所获得的输出值相比较。
[0039]为了提高控制系统36的准确度，可获得一些校正参数(例如，通过传感器40来获得)(方框76)。所述校正参数可与信息(例如，数学公式、数据、趋势、历史数据、计算机模型、基于知识库的数据、专家数据等)和存储在控制系统36中(例如，存储在存储器37中)的指令一起使用，以便补偿燃气涡轮发动机12的趋向和环境对燃气涡轮发动机12的影响。此类校正参数可包括用温度传感器44测量的周围空气28的温度、用压力传感器46测量的周围空气28的压力、周围空气28的湿度、压缩机26的进口温度、燃气涡轮发动机12的压力损失和/或排气口 22的压力损失。例如，在寒冷的天气时，当空气更为密集并且穿过涡轮机20的质量流率自然增加时，可考虑各校正参数，从而减少来自压缩机26和/或燃烧室18的需求。
[0040]可基于基本输出值和至少一个校正参数确定目标输出值(方框78)。进一步来说，所述目标输出值可结合如由操作员、制造者等提供的燃气涡轮发动机12的产品寿命的考虑。以这种方式，方法70可用来允许燃气涡轮发动机12在其整个运行过程中(即，性能无退化)产生目标输出值，而不会影响燃气涡轮发动机12的产品寿命和/或维修计划。当燃气涡轮发动机12处于运行中时，控制系统36可监控输出值(例如，实际输出值)(方框80)。所监控的输出值可为功率输出和/或热耗率，以便可与基本输出值和目标输出值相比较。控制系统36可加以编码来比较运行期间所获得的输出值与根据基本输出值(例如，基于新的和/或洁净的运行)所确定的目标输出值(方框82)。在运行期间，当控制系统36感测到输出值与目标输出值之间的差大于阈值时，就可调整燃气涡轮发动机12的至少一个运行条件，以使得燃气涡轮发动机12的输出值可大约等于目标输出值(方框84)。换句话说，可调整所述运行条件来增加燃气涡轮发动机12的输出值,所述输出值要保持相对恒定并且大约等于基本输出值，从而导致燃气涡轮发动机12的总输出和效率随着时间的推移而增加。
[0041]可调整的运行条件可包括燃烧室18中的点火温度、由温度传感器42所测量的排气口 22的温度、如由阀50所控制的燃料流率、燃料组成(例如，一种或多种燃料)、燃料发热量、氧化剂(例如，空气、富氧空气、低氧空气或纯氧)的氧含量、燃料-空气比、燃料温度、燃烧动力学、排放物流率、如由IGV致动器52所控制的IGV 32的角度，或其组合。例如，当输出值小于目标输出值时，控制系统36可提供用于提高燃烧室18中的点火温度的指令，以便增加进入涡轮机20中的燃烧气体的能量，从而提高燃料涡轮发动机12的功率输出。或者，控制器38可提高在排气口 22处所测量的温度，这总体上也可由提高点火温度而引起。进一步来说，控制系统36可打开致动阀50，以便通过提高送往燃烧室18的燃料的流率来提高点火温度。控制系统36还可通过使用IGV致动器52打开IGV 32来增加供应到燃烧室18的氧化剂的量(例如，以便增加穿过涡轮机的总质量流)。可大体上维持燃气涡轮发动机12的运行，以使得输出值(例如,热耗率和/或功率输出)与目标输出值大约匹配。燃气涡轮发动机12的部件的运行极限(例如，压力、温度等)可限制用于可调整的运行条件的容许范围，以便防止部件加速退化并且保持产品寿命。例如，燃烧室18的材料可限制最大点火温度。此外，IGV 32和致动阀50具有在几何结构上和/或物理上施加的并且不能超越的全开位置。尽管先前相对于增加燃气涡轮发动机12的输出值进行了描述，但以上调整可应用于降低输出值，例如前述的在寒冷的天气时的情况。
[0042]图3是描绘用于基于燃气涡轮发动机12的部件的产品寿命来运行涡轮机20，从而提高燃气涡轮发动机12的效率和总发电的方法100的流程图。在某些实施例中，方法100可包括存储在存储器37上并且可由控制器38的处理器39执行的指令。因此，方法100的每个步骤可包括此类指令或代码，并且还可使用传感器反馈、数学算法、计算机/数学模型、历史数据和趋势、查找表、基于知识库的数据、专家数据、市场/价格数据等。例如，如果在涡轮机20 (或燃气涡轮发动机12的任意不同部件)需要维修停机之前，燃气涡轮发动机12的部件需要维修停机，那么涡轮机20将具有可换得增加输出的过长产品寿命。因此，燃气涡轮发动机12可在目标输出值以上进行运行，这缩短了涡轮机20的产品寿命。以这种方式，可在所安排的燃气涡轮发动机12停机之前，通过牺牲过长的产品寿命来从涡轮机20得到最大量的输出。进一步来说，在一些实施方案中，方法100可由燃气涡轮发动机12的操作员使用来基于增加的客户需求(如功率需求、电力的实时定价、其他电厂的停机等)而简单地调整产品寿命和/或维修计划。或者，方法100可用来延长燃气涡轮发动机12的产品寿命以便推迟停机。在这样一个实施例中，燃气涡轮发动机12可在目标输出值以下运行，以便允许延长的产品寿命和运行期限。例如，如果涡轮机20是安排在整个系统10停机前的几个星期停机，那么燃气涡轮发动机12可在目标输出值以下运行，以便延长涡轮机20的可用寿命，从而使其与系统10的寿命相等。
[0043]最初可运行燃气涡轮发动机12 (方框102)来确定基本输出值(方框104)。如前所述，所述基本输出值可基于燃气涡轮发动机12的新的和/或洁净的运行，以便获得最大输出值来作为基本输出值。所述基本输出值可为燃气涡轮发动机12的功率输出和/或效率。使用基本输出值时，可基于燃气涡轮发动机12的部件的产品寿命确定燃气涡轮发动机12的预期寿命(例如，产品寿命模型)(方框106)。一般来说，制造者可能会提供对燃气涡轮发动机12在基本输出值下的预期寿命的建议。进一步来说，可确定燃气涡轮发动机12的目标寿命(方框108)。在某些实施例中，所述目标寿命可基于燃气涡轮发动机12中的部件的产品寿命。例如，燃气涡轮发动机12可安排来由于压缩机26的维修停机超过燃气涡轮发动机12的其他部件的维修日期而关机，因此压缩机26的维修停机可表明燃气涡轮发动机12的目标寿命。
[0044]可至少部分基于目标寿命和基本输出值来确定燃气涡轮发动机12的计算的输出值(方框110)。例如，如果燃气涡轮发动机12的目标寿命比涡轮机20的预期寿命短，那么计算的输出值可能大于基本输出值，以便使得由燃气涡轮发动机12供应的总输出最大化。换句话说，涡轮机20的寿命可通过在基本输出值以上运行燃气涡轮发动机12而缩短。因此，涡轮机20的过长产品寿命(例如，预期寿命减去目标寿命)交换为增加的总输出。计算的输出值可为功率输出和/或效率，这是因为所述输出值与基本输出值相关。当燃气涡轮发动机12运行时，可监控实际上由燃气涡轮发动机12提供的输出值(方框112)。控制系统36可比较输出值(例如，实际输出值)与计算的输出值(方框114)。进一步来说，控制器38可提供多个指令来调整燃气涡轮发动机12的至少一个运行条件，以使得输出值与计算的输出值之间的差小于阈值(方框116)。所述运行条件可如以上相对于图2所述以任意组合进行调整。
[0045]图4是描绘燃气涡轮发动机12的功率输出的变化随IGV 32的角度和点火温度的变化而变化的图130。图130描绘IGV 32的角度和燃烧室18内的点火温度的变化可以如何影响燃气涡轮发动机12的功率输出。χ轴132表示第一变量(例如，运行条件)，即IGV32的角度变化，其中所述角度变化朝向χ轴132的右端增加(例如，IGV 32朝向右边打开更多)。第二变量(例如，运行条件)，即点火温度的变化，在图130内示出为一系列的线。线134表示低点火温度,加点线136表示中间点火温度,并且标记有χ的线138表示高点火温度。I轴140表示随这些变量而变化的燃气涡轮发动机12的功率输出的所得变化。
[0046]图130示燃气涡轮发动机12的功率输出相对于各变量的简单趋势。例如，当IGV32的角度变化增加时(例如，当IGV接近全开位置时)，由燃气涡轮发动机12供应的功率输出增加。类似地，当燃烧室18中的点火温度增加时，燃气涡轮发动机12的功率输出增加。因此，打开IGV 32并提高燃烧室18内的点火温度可以是抵消燃气涡轮发动机12随着时间的推移退化以便维持功率输出的有效方法。可能需要注意图130上的某些点。具体来说，点142和144表示相对于燃气涡轮发动机12的运行的重要值。点142对应于基本点火温度和IGV 32的基本角度，这表明燃气涡轮发动机12初始在新的和/或洁净的条件下运行时的基本输出值(例如，燃气涡轮发动机12的功率或效率)。点144对应于高点火温度和IGV32角度的大的变化,从而导致燃气涡轮发动机12在新的且洁净的状态下的功率输出潜力增加。一般来说，当燃气涡轮发动机12在其整个产品寿命期内运行时，各变量(例如，运行条件)可以任意组合进行调整，以便使用这种功率潜力来抵消由于燃气涡轮发动机12的退化和/或结垢而引起的功率损失。进一步来说，可如前所述调整另外的运行条件。
[0047]图5是描绘燃气涡轮发动机12的热耗率的变化随IGV 32的角度和点火温度的变化而变化的图160。图160描绘IGV 32的角度和燃烧室18内的点火温度的变化可以如何影响燃气涡轮发动机12的热耗率。χ轴162表示第一变量(例如，运行条件)，即IGV 32的角度变化，其中所述角度变化朝向χ轴162的右端增加(例如，IGV 32朝向右边打开更多)。第二变量(例如，运行条件)，即点火温度的变化，在图160内示出为一系列的线。线164表示基本低点火温度，加点线166表示中间点火温度,并且标记有χ的线168表示高点火温度。y轴170表示随这些变量而变化的燃气涡轮发动机12的热耗率的所得变化。
[0048]图160显示燃气涡轮发动机12的热耗率(例如,与由燃气涡轮发动机12的功率输出相比的由燃料供应的能量)相对于各变量的趋势。例如，当IGV 32的角度变化增加时，燃气涡轮发动机12的热耗率可显示为U形。因此，打开IGV 32可以是抵消燃气涡轮发动机12的退化直到达到曲线的拐点172的有效方法。在达到拐点172后，打开IGV 32可对燃气涡轮发动机12的热耗率有害。这样，拐点172可表明燃气涡轮发动机12在给定的点火温度下的最佳可实现的热耗率值。点174对应于基本点火温度和基本IGV 32角度，这指示燃气涡轮发动机12在新的并且洁净的状态下初始运行时的基本输出值。一般来说，当燃气涡轮发动机12在其整个产品寿命期内运行时，各变量(例如，运行条件)可以任意组合进行调整，以便使用这种功率潜力来对抗由于燃气涡轮发动机12的退化和/或结垢而引起的功率损失。进一步来说，可同时考虑和应用图4和图5中的趋势来提供稳健的控制策略。进一步来说，可调整另外的运行条件来影响燃气涡轮发动机12的运行。
[0049]本发明的技术效果包括相对于燃气涡轮发动机12的部件的产品寿命维持燃气涡轮发动机12的输出值。燃气涡轮发动机12在新的和/或洁净的时候，产生最大输出并以最大效率运行，这称为基本输出值。为了保持燃气涡轮发动机12的效率和成本有效性，可能希望维持燃气涡轮发动机12在这个基本输出值下的运行。可将总体上基于环境和/或系统条件的校正参数应用于基本输出值，以便确定燃气涡轮发动机12的目标输出值。可通过借助于控制系统36调整燃气涡轮发动机12的至少一个运行条件来在整个产品寿命期内维持燃气涡轮发动机12的目标输出值。例如,可监控和维持的输出值可包括功率输出、热耗率或其组合。进一步来说，可调整的运行条件可包括燃烧室18中的点火温度、由温度传感器42所测量的排气口 22的温度、如由阀50所控制的燃料流率、燃料组成(例如，一种或多种燃料)、燃料发热量、氧化剂(例如，空气、富氧空气、低氧空气或纯氧)的氧含量、燃料-空气比、燃料温度、燃烧动力学、排放物流率、如由IGV致动器52所控制的IGV 32的角度，或其组合。以这种方式，可将燃气涡轮发动机12的输出值维持在大约基本输出值，以便提高燃气涡轮发动机12的输出和/或效率。通过限制容许的调整范围，燃气涡轮发动机12的产品寿命或维修计划可受到最小的影响。然而，在替代实施例中，可调整燃气涡轮发动机12的运行条件，以使得燃气涡轮发动机12的输出值充分不同于目标输出值，以便符合燃气涡轮发动机12中的不同部件的产品寿命或维修计划要求。例如，如果关机安排在涡轮机20的产品寿命结束之前，那么可调整燃气涡轮发动机12的运行条件，以使得输出值超过基本输出值。以这种方式，可在所安排的燃气涡轮发动机12停机之前从燃气涡轮发动机12得到最大功率输出和/或热耗率。燃气涡轮系统10可并入有控制器38和多个传感器40，以便监控和调整燃气涡轮系统10的输出值和运行条件。
[0050]本说明书使用了各实例来公开本发明，包括公开最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及执行所纳入的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书限定，并且可以包括所属领域中的技术人员想出的其他实例。如果此类其他实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或者如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例都意图在权利要求书的范围内。
【权利要求】
1.一种系统，其包括: 控制器，所述控制器配置用于基于燃气涡轮发动机的一个或多个部件的反馈和预期寿命来控制所述燃气涡轮发动机的一个或多个参数，其中所述控制器包括设置在非瞬时性机器可读介质上的指令，其中所述指令配置用于: 运行所述燃气涡轮发动机； 基于所述燃气涡轮发动机在基本负载下的新的和洁净运行而确定基本功率输出、基本热耗率或其组合； 获得校正参数； 至少部分基于所述基本功率输出、所述基本热耗率或其组合以及所述校正参数而确定目标功率输出、目标热耗率或其组合； 监控所述燃气涡轮发动机的功率输出、热耗率或其组合； 比较所述功率输出与所述目标功率输出，比较所述热耗率与所述目标热耗率或其组合；并且 调整所述燃气涡轮发动机的所述一个或多个参数，以使得所述功率输出与所述目标功率输出之间的差、所述热耗率与所述目标热耗率之间的差或其组合小于阈值，其中所述功率输出与所述目标功率输出之间的所述差、所述热耗率与所述目标热耗率之间的所述差或其组合至少部分由所述燃气涡轮发动机的退化和/或结垢而导致。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述功率输出或热耗率中的至少一个在基本输出值的大约10%内，其中所述基本 输出值基于所述燃气涡轮发动机在新的和洁净运行下的基本输出值。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述控制器配置用于控制包括所述燃气涡轮发动机的电厂的运转。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述控制器包括存储器和至少一个处理器。
5.如权利要求1所述的系统，其包括配置用于向所述控制器产生输入信号的传感器，其中所述输入信号指示所述燃气涡轮发动机的所述参数。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述传感器包括周围温度传感器、周围压力传感器、周围湿度传感器、压缩机进口温度传感器、进口压力传感器或排气口压力传感器中的至少一个或其组合。
7.如权利要求1所述的系统，其包括配置用于调整所述燃气涡轮发动机的运行条件的致动器。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述致动器包括进口导叶致动器或燃料流动控制阀致动器中的至少一个或其组合。
9.一种方法，其包括: 运行燃气涡轮发动机； 基于所述燃气涡轮发动机在基本负载下的新的和洁净运行而确定基本输出值； 获得校正参数； 至少部分基于所述基本输出值和所述校正参数而确定目标输出值； 监控所述燃气涡轮发动机的输出值； 比较所述输出值与所述目标输出值；并且调整所述燃气涡轮发动机的运行条件，以使得所述输出值与所述目标输出值之间的差小于阈值，其中所述输出值与所述目标输出值之间的所述差至少部分由所述燃气涡轮发动机的退化和/或结垢而导致。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述输出值包括功率输出或热耗率中的至少一个或其组合。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述基本输出值对应于新的燃气涡轮发动机或洁净的燃气涡轮发动机或其组合的运行。
12.如权利要求9所述的方法，其中所述校正参数包括周围温度、周围压力、周围湿度、压缩机进口温度、进口压力损失或排气口压力损失中的至少一个或其组合。
13.如权利要求9所述的方法，其中所述运行条件包括点火温度、排气口温度、燃料流率、排放物流率或进口导叶角度中的至少一个或其组合。
14.如权利要求9所述的方法，其包括维持所述运行条件小于最大运行条件。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述最大运行条件至少部分基于所述燃气涡轮发动机的部件在所述基本负载下的预期寿命。
16.—种方法,其包括: 运行燃气涡轮发动机； 基于所述燃气涡轮发动机的基本负载而确定基本输出值； 确定所述燃气涡轮发动机的第一部件在所述基本负载下的预期寿命；· 确定所述燃气涡轮发动机的一个或多个部件的目标寿命； 至少部分基于所述基本输出值和所述目标寿命而确定计算的输出值； 监控所述燃气涡轮发动机的输出值； 比较所述输出值与所述计算的输出值；并且 调整所述燃气涡轮发动机的运行条件，以使得所述输出值与所述计算的输出值之间的差小于阈值。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述目标寿命基于所述燃气涡轮发动机的至少一个预期的关机。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述燃气涡轮发动机的所述预期的关机基于对所述燃气涡轮发动机的、不同于所述第一部件的第二部件的更换或修理。
19.如权利要求16所述的方法，其中所述目标寿命小于所述预期寿命。
20.如权利要求16所述的方法，其中所述计算的输出值大于所述基本输出值。
【文档编号】F02C9/00GK103850804SQ201310628852
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2012年11月30日
【发明者】D.S.尤恩斯, J.R.休伊, M.G.林德穆思 申请人:通用电气公司