利用平均涡轮机出口温度来控制燃气涡轮机的操作的方法与流程

本发明涉及一种用于对燃气涡轮机的涡轮机出口温度求平均值并且使用该涡轮机出口温度来操作燃气涡轮机的方法。本发明额外地涉及一种具有控制器的燃气涡轮机，所述控制器被配置且适于执行上述方法。

背景技术：

涡轮机出口温度是能够用来控制燃气涡轮机的操作并且在操作期间用于燃气涡轮机的保护的一个参数。使用涡轮机出口温度来控制燃气涡轮机的示例已经例如在ep2071157a1中公开。

涡轮机出口温度也能够用于具有顺序燃烧的燃气涡轮机。具有顺序燃烧的燃气涡轮机的控制在过去已是各种文献的目的。用于具有顺序燃烧的燃气涡轮机的基本操作理念例如在ep0718470a2中描述。

涡轮机出口温度的可靠且精确测量是在整个负载范围内用于可靠且精确控制燃气涡轮机操作的前提。

由于通过不稳定的再生能源(如风能或太阳能)生产的电力增加，现存的基于燃气涡轮机的发电厂越来越多地用来平衡电力需求和稳定电网。因此需要改善的操作灵活性。这意味着燃气涡轮机常常以低于基本负载设计点的负载操作，即，在较低的燃烧室入口和点火温度下操作。此外，根据价格和可用性，使用来自不同来源的具有不同燃料气体组成的燃料。

同时，排放极限值和总体排放许可变得更加严格，因此需要在较低排放值下操作，也在部分负载操作下，在瞬变期间保持低排放，因为这些也会计入累积排放极限，并且计入不同燃料组成。为了确保低排放和稳定操作，需要准确且稳健确定涡轮机出口温度。

通常，所有涡轮机出口温度测量装置(temperaturemeasurement)的算术平均值在燃气涡轮机控制器中确定并用于控制燃气涡轮机操作。理论上，对所有单独温度测量装置求平均值是获得涡轮机出口温度的最佳方式。

然而，燃气涡轮机中的泄露和缺陷可能会影响所述测量。尤其，靠近涡轮机出口温度测量传感器的冷却空气泄露能够影响局部测量的涡轮机出口温度。

对于新的且干净的发动机(或者运行中断后重新组装的发动机)，这些泄露通常很小，并且发动机在运行中断后被调整以将这样的泄露考虑在内。然而，泄露和损害温度测量装置的其他因素可能在操作期间变化或增加。

这些泄露影响单个涡轮机出口温度测量装置中的一些，其被求平均值以给出平均涡轮机出口温度tatavg，因为相应的温度传感器受到冷泄露流动的影响从而导致了测量误差，即，发出较低温度的信号。

控制器然后调整操作来补偿平均涡轮机出口温度的这些变化。例如，控制器能够增加燃料流动以将所测量的涡轮机出口温度(相应地涡轮机的涡轮机入口温度tit)保持在目标温度。由于测量误差能够随时间增加，所以实际的涡轮机入口温度值增加从而导致更高的nox排放(及增加的机器的使用寿命消耗)。

对于具有顺序燃烧的燃气涡轮机，第一涡轮机出口温度测量装置和第二涡轮机出口温度测量装置可能会被泄露影响。

技术实现要素：

本公开的一个目的是一种用于操作燃气涡轮机的方法，所述燃气涡轮机甚至在局部涡轮机出口温度测量装置受损的情况下仍保持稳定和可靠。该燃气涡轮机包括压缩机、燃烧室、在燃烧室下游的涡轮机、和总数量的涡轮机出口温度测量装置。

所公开的用于操作燃气涡轮机的方法包括以下步骤：

-利用相应涡轮机的涡轮机出口温度测量装置测量涡轮机的涡轮机出口温度，

-选择数量小于涡轮机出口温度测量装置的总数量的若干涡轮机出口温度测量装置，

-对所选择的涡轮机出口温度测量装置的测量温度求平均值以获得平均涡轮机出口温度，及

-根据平均涡轮机出口温度控制燃气涡轮机的操作。

涡轮机出口温度测量装置，例如热电偶或指示温度的其他传感器，能够例如分布成覆盖涡轮机出口的整个流动区域，尤其是每个温度测量装置均在流动区域或流动管道的指定部分的中心中，其中，每个部分均具有相同的面积。对于具有不均匀温度或速度分布的排出管道而言，可能有利的是，将温度测量装置分布成使得它们代表具有通过每个指定部分的相等排出质量流动的部分。

燃烧室能够包括在环形燃烧室上游的多个燃烧器，或者能够包括在多个筒式燃烧室上游的多个燃烧器。根据该方法的实施例，在相应涡轮机上游的燃烧室的所有燃烧器都处于操作状态。

该方法能够适用于具有顺序燃烧的燃气涡轮机或者具有单个燃烧室和一个涡轮机的燃气涡轮机。顺序燃烧燃气涡轮机具有第一燃烧室、第一涡轮机、第二燃烧室、和第二涡轮机。在顺序燃烧燃气涡轮机中，使用相应的第一和第二涡轮机出口温度测量装置，能够测量第一涡轮机出口温度并且能够测量第二涡轮机出口温度。

根据第一实施例，相应地在第一涡轮机上游、第二涡轮机上游的所有燃烧室都处于操作状态。

根据所述方法的另一个实施例，具有良好数据质量的涡轮机出口温度测量装置被识别。仅具有良好数据质量的涡轮机出口温度测量装置被选择用于求涡轮机出口温度的平均值。在该实施例中，平均涡轮机出口温度基于数量小于具有良好数据质量的可用涡轮机出口温度测量装置的总数量的若干具有良好数据质量的所选择的涡轮机出口测量值求平均值。

良好数据质量能够例如通过确认没有坏数量质量信号从测量链发出被确定，所述测量链始于温度传感器并经由转换器和数据线引导到控制器。良好数据质量也能够通过比较所测量的温度值与所有测量的温度的平均值被确定，或与期望值(其能够例如取决于燃气涡轮机的操作状况)比较被确定。相对负载或者入口导叶位置，从启动开始的时间可以指示操作状况。对应的期望涡轮机出口温度能够例如提供在查找表中。

在该方法的另外的实施例中，涡轮机出口温度测量装置的适当子集被选择以用于获得平均涡轮机出口温度。涡轮机出口温度测量装置的所选择的适当子集包括具有特定数量的最高测量值的涡轮机出口温度测量装置。

在该方法的又另一个实施例中，所选择的适当子集由i个最高涡轮机出口温度测量装置到j个最高涡轮机出口温度测量装置组成，其中i和j为自然数。进一步，i为2或大于2，j等于或大于i，且i和j都小于出口温度测量装置的总数量。

通常，燃气涡轮机控制器具有计时器，其限定控制器循环并在每次循环中更新数据和命令。所述循环由所述计时器限定。根据该方法的另一个实施例，仅具有在相对于先前控制器循环的平均涡轮机出口温度(tatavg)的有限温度偏差内的测量值的涡轮机出口温度测量装置被选择用于求涡轮机出口温度的平均值。有限温度偏差能够例如是80℃的偏差，优选地，其为较小的偏差且被限制到50℃的偏差，并且其能够小至例如20℃或更小。

求平均值和识别变量的大小的顺序的方法步骤需要显著的处理能力。为了限制控制器所需要的处理能力，提出了一种避免在一个控制器循环中求平均值的步骤的方法。该实施例利用了温度测量装置相对于控制器的循环时间较慢的事实。因为温度测量装置慢，所以来自不同时间阶段的温度值能够用于计算和近似在数个控制器循环上的平均温度。所述求平均值在若干控制器循环上执行并包括如下步骤：

a)将平均涡轮机出口温度变量设定为0，将被选择以获得平均涡轮机出口温度的涡轮机出口温度测量装置分配到总计表(summinglist)，并且在每个随后的循环中

b)确定在总计表上的涡轮机出口温度测量装置的最大局部涡轮机出口温度，

c)将所确定的最大局部涡轮机出口温度的测量值添加到平均第一涡轮机出口温度变量；

d)将确定的最大局部涡轮机出口温度测量装置从总计表中移除；

e)重复步骤b)到d)特定次数，或直到总计表为空；

f)使平均第一涡轮机出口温度变量除以添加到该变量的测量装置的数量以获得平均涡轮机出口温度。

在完全故障之前，温度测量装置可能在测量链能够识别这样的温度测量装置具有坏数据质量之前漂移到非常高的温度。根据一个实施例，最高或者m个最高涡轮机出口温度测量装置不用于求涡轮机出口温度的平均值。通常，足以简单地忽略单个最高温度测量装置，因为极不可能多于一个的温度测量装置具有不被认为是测量误差的显著漂移。然而，能够忽略或跳过两个或多个最高温度测量值。如果使用非常大量的涡轮机出口温度测量装置，例如使用总共多于20个测量装置(这增加了漂移同步发生的可能性)，那么两个或多于两个的测量装置可被省略。

在上述提出的用于在若干循环上求涡轮机出口温度的平均值的方法中，步骤c)能够被下面的步骤c1)和c2)替代以避免使用m个最高涡轮机出口温度测量装置：

c1)如果其是第1次到第m次已在若干控制器循环中检测到最大涡轮机出口温度测量装置(18、19)以用于求平均值中的一个，其中，m是小于在总计表上的涡轮机出口温度测量装置(18、19)的数量的自然数，则继续进行步骤d)，

c2)将所确定的最大涡轮机出口温度(18、19)的测量值添加到平均涡轮机出口温度变量。

根据该方法的另外的实施例，平均涡轮机出口温度被控制到设定点温度或者使用平均涡轮机出口温度来控制燃烧室温度到设定点温度。所述控制利用使用到燃烧室的燃料流动作为校正变量的闭环控制执行，即，如果平均涡轮机出口温度低于设定点温度则增加燃料流动，并且如果平均涡轮机出口温度高于设定点温度则减少燃料流动。平均涡轮机出口温度能够例如用于在所谓的涡轮机入口温度准则的帮助下控制燃烧室温度到设定点温度，其中，涡轮机入口温度或燃烧室出口温度基于涡轮机出口温度或燃气涡轮机的其他操作参数(诸如例如燃烧室压力或者压缩机入口温度)被近似。

根据该方法的又另一个实施例，所有可用的涡轮机出口温度测量装置都用于计算平均涡轮机出口温度以在相对负载极限之下操作燃气涡轮机。对于在相对负载极限之上燃气涡轮机的操作，所选择的涡轮机出口温度测量装置用于计算平均涡轮机出口温度。

相对负载能够例如被定义为实际功率除以基础负载功率，该基础负载功率能够由燃气涡轮机在相应周围状况下产生。相对负载极限(直到其，所有可用的涡轮机出口温度测量装置都用于计算平均涡轮机出口温度)能够例如是最小负载，即，在其下发电机连接至电网以向电网输送电力的最小负载，或者相对负载极限能够是10％的相对负载或者是在高至50％的相对负载的范围内的值。

所有涡轮机出口温度测量装置的平均涡轮机出口温度与利用选择的涡轮机出口温度测量装置所获得的平均涡轮机出口温度的比较能够指示大的泄露或者温度测量装置的不一致。这些可能是由于燃气涡轮机部件的损坏或故障造成的。

因此，在该方法的另外的实施例中，所有可用的涡轮机出口温度测量装置的测量值被求平均值以获得参考平均涡轮机出口温度。在参考平均涡轮机出口温度和基于所选择的涡轮机出口温度的平均涡轮机出口温度之间的差值被计算。如果所述差值超过了可允许的偏差，则触发燃气涡轮机的保护动作。可允许的偏差能够是例如在5℃到80℃范围内的温差。优选地，其在大约10℃到50℃的较小的范围内。在某些实施例中，所述可允许的偏差低于20℃。

所述保护动作能够例如是燃气涡轮机的减载，即，以常规负载梯度或者增加的负载梯度发生的负载下降，直到差值下降到低于可允许的偏差或低至怠速。保护动作能够例如也是分级卸载，即，立刻甩负载并接着以怠速操作。该怠速操作之后能够是跳闸或者燃气涡轮机能够直接跳闸。

该方法能够适用于具有单个燃烧室(其后接着是涡轮机)的燃气涡轮机。也能够适用于下述燃气涡轮机，其被构造成顺序燃烧燃气涡轮机，其具有第一燃烧室、在第一燃烧室下游的第一涡轮机、在所述第一涡轮机下游的第二燃烧室、及在所述第二燃烧室下游的第二涡轮机。

顺序燃烧燃气涡轮机能够具有在第一涡轮机下游的总数量的第一涡轮机出口温度测量装置。

根据用于操作顺序燃烧室燃气涡轮机的方法的实施例，选择的第一涡轮机出口温度测量装置被求平均值以获得平均第一涡轮机出口温度(tat1avg)。

顺序燃烧燃气涡轮机能够具有总数量的第二涡轮机出口温度测量装置。根据用于操作顺序燃烧室燃气涡轮机的方法的实施例，选择的第二涡轮机出口温度测量装置被求平均值以获得平均第二涡轮机出口温度(tat2avg)。

除了所述方法，包括压缩机、燃烧室、在燃烧室下游的涡轮机、总数量的涡轮机出口温度测量装置、和控制器(其被配置成执行所述方法)的燃气涡轮机是本公开的一部分。

所述燃气涡轮机能够是具有单个燃烧室(其后接着是一个涡轮机)的燃气涡轮机。该燃气涡轮机能够是顺序燃烧燃气涡轮机，其具有第一燃烧室、在第一燃烧室下游的第一涡轮机、在所述第一涡轮机下游的第二燃烧室、和在所述第二燃烧室下游的第二涡轮机。

附图说明

本公开(其本质以及其优点)将在下文中在随附的示意图的帮助下更详细地描述。

参考附图：

图1示出了具有顺序燃烧的燃气涡轮机以及用于其操作的闭环控制回路，

图2示出了具有第一涡轮机出口温度测量装置的燃烧室的横截面ii-ii，

图3示出了具有第二涡轮机出口温度测量装置的第二涡轮机出口的横截面iii-iii，

图4示出了用于在若干y控制器循环上确定平均涡轮机出口温度的计算程序。

具体实施方式

图1中示出了具有顺序燃烧的燃气涡轮机(已知的例如gt24或gt26)的控制示意图。燃气涡轮机10包括转子11，其被偏心壳体围绕。压缩机12压缩空气，所述空气通过集气室进入具有第一燃烧器24的第一燃烧室13。燃料经由第一燃烧器燃料供应22供应。离开第一燃烧室13的产生的热气体驱动也称为高压涡轮机的第一涡轮机14。在涡轮机14的下游，燃料经由第二燃烧器燃料喷枪15喷射到所述气体中，该气体仍然包含足够的氧气以进行进一步燃烧。燃料在第二燃烧室16中燃烧。重新被加热的气体驱动也被称为低压涡轮机的第二涡轮机17，并最终离开燃气涡轮机10。第一涡轮机出口温度测量装置18也能够整合到第二燃烧器燃料喷枪15或附接到第二燃烧器燃料喷枪15。

控制器20(其控制燃气涡轮机10的操作)接收来自第一涡轮机出口温度测量装置18在第一涡轮机14的出口处的多个(例如24个)点处测量到的测量值。此外，控制器接收在第二涡轮机17的出口处的多个点处测量到的第二涡轮机17的第二涡轮机出口温度测量装置19的测量值。使用所述测量的数据，控制器20借助于第一燃烧器燃料控制线路21控制第一燃烧室13的操作，并且借助于第二燃烧器燃料控制线路23控制第二燃烧室16的操作。

燃气涡轮机系统能够经由转子11联接到发电机。通常，燃气涡轮机10进一步包括用于第一涡轮机14和第二涡轮机17以及顺序燃烧室布置的冷却系统，其未示出因为其并非是本公开的主题。

排出气体离开第二涡轮机17。排出气体的剩余热通常用在随后的水蒸汽循环(其在此也未示出)中。

第一涡轮机出口温度测量装置18的布置的示例在图2中示出。图2示出了通过具有多个在第二燃烧室16上游的第二燃烧器25的环形第二燃烧室16的图1的横截面ii-ii。在每个燃烧器25中，均布置有连接到控制器20的第一涡轮机出口温度测量装置18。

第二涡轮机出口温度测量装置19的布置的示例在图3中示出。图3示出了具有第二涡轮机17的出口的图1的横截面iii-iii。若干第二涡轮机出口温度测量装置19布置在第二涡轮机(其连接至控制器20)的下游。第二涡轮机17出口温度测量装置的数量能够例如对应于第二燃烧器25的数量。

在图4中示出了用于在控制器20中在若干y控制器循环上确定第一涡轮机的平均涡轮机出口温度tat1avg的计算程序。在第一循环n＝1处，最大涡轮机出口温度测量装置max(tat1i)被确定并储存在平均变量(也称为平均涡轮机出口温度变量)中。对于每个随后的控制器循环n，直到n达到用于对温度求平均值的涡轮机出口温度测量装置的数量y，在剩余的第一涡轮机出口温度测量装置19中确定最大涡轮机出口温度测量装置max(tat1i)并添加到平均变量。当达到控制器循环n＝y时，平均涡轮机出口温度变量的值除以n＝y以获得第一燃烧室的平均涡轮机出口温度tat1avg。第二涡轮机的平均涡轮机出口温度能够类似地确定。

所有解释的优点都不限于特定的组合，而是还能够在不脱离本公开的范围的情况下用在其他组合中或者单独使用。可选地可以想到其他可能性，例如第二燃烧室能够具有筒式燃烧室。

附图标记列表

10燃气涡轮机

11转子

12压缩机

13第一燃烧室

14第一涡轮机

15第二燃烧器燃料喷枪

16第二燃烧室

17第二涡轮机

18第一涡轮机出口温度测量装置

19第二涡轮机出口温度测量装置

20控制器

21第一燃烧器燃料控制线路

22第一燃烧器燃料供应

23第二燃烧器燃料控制线路

24第一燃烧器

25第二燃烧器

n控制器循环数(tact)

y用于求温度平均值的涡轮机出口温度测量装置的数量

tatavg平均涡轮机出口温度

tat1avg平均第一涡轮机出口温度

tat2avg平均第二涡轮机出口温度

max(tat1i)。