用在燃氣渦輪發動機中轉換燃燒模式的方法和系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及燃氣渦輪發動機的控制，且更確切地，涉及用于在燃氣渦輪發動機處于燃燒直接邊界控制下時，控制燃燒模式之間的轉換的方法和系統。
【背景技術】
[0002]在至少一些已知的燃氣渦輪機系統中，稱為燃燒直接邊界控制的控制類型被用于調節燃料和空氣到達燃氣渦輪發動機內的一個或多個燃燒器的不同噴嘴的流量。如本說明書中所使用，“燃燒直接邊界控制”是指例如通過控制空氣和/或燃料到達發動機內燃燒器中的噴嘴的流量來調節燃氣渦輪發動機內的燃燒，以使得一個或多個預定燃燒參數均維持在預定邊界或極限范圍內，所述燃燒參數包括但不限于溫度、壓力、動力學和/或燃燒副產物的濃度。在至少一些已知的燃氣渦輪機系統中，燃氣渦輪發動機包括多個燃燒器，并且每個燃燒器包括多個噴嘴。在至少一些這樣的燃氣渦輪機系統中，燃料和/或空氣流是通過單獨的燃料和空氣供應管路供應至單獨噴嘴，所述供應管路可彼此獨立地受控。可定義供應至燃燒器內單獨噴嘴的空氣和/或燃料的量的一種方式是:確定需要輸送至燃氣渦輪發動機或燃燒器的總空氣和/或燃料，隨后定義供應至單獨噴嘴的燃料和/或空氣的量(有時稱為“分流(split)”)。給定噴嘴的“分流”定義燃氣渦輪發動機或燃燒器總共需要的燃料流通過給定噴嘴輸送的部分。因此，在燃燒直接邊界控制期間，正引導至一個噴嘴的分流可以不同于正引導至同一燃燒器內另一個噴嘴的分流。
[0003]在燃燒直接邊界控制期間，燃氣渦輪機系統的控制系統使用一個或多個閉環反饋回路來調整供應至噴嘴的分流。每個回路可由邊界參數來定義。邊界參數可包括但不限于燃氣渦輪機排放物諸如NOx、CO等的預定數值或范圍、燃燒系統動力學和/或任何燃燒器可操作性特征，包括指示貧媳火(lean blowout)的參數。對于每個反饋回路，所命令的分流輸出是邊界參數的定義極限或目標值、對邊界參數的當前值的反饋以及當前分流的函數。可以通過邊界參數的直接測量、邊界參數的建模估計或兩者的組合來獲得對當前邊界參數的反饋。另外的優先級邏輯可以進一步從多個反饋回路分流向下選擇(downselect)以定義給定噴嘴的最終命令分流。
[0004]在至少一些已知的燃氣渦輪機系統中，燃氣渦輪發動機能夠以若干不同的燃燒模式操作。不同的燃燒模式出于本發明目的可以通過數字(1，2，3等)和/或字母(A，B，C，…，X，Y，Z等)標識)，其根據供應至燃燒器內每個噴嘴的燃料和/空氣量和/或根據供應至燃氣渦輪發動機內相應燃燒器的燃料和/或空氣量而彼此區分開來。更確切地，不同的燃燒模式確定將啟用哪些噴嘴(即，被供應一定量的燃料和/或空氣)以及將禁用哪些噴嘴(即，不被供應燃料和/或空氣)。
[0005]在至少一些已知的燃氣渦輪機系統中，可要求不同的燃燒模式以在一定范圍的操作條件下最優地操作燃氣渦輪發動機。這個操作條件范圍包括施加于燃氣渦輪發動機的不同負載條件。因此，一種燃燒模式可對應于低負載模式，另一種燃燒模式可對應于中等負載模式，并且又一種燃燒模式可對應于高負載模式。這些僅為實例，并且在至少一些已知的燃氣渦輪機系統中，不同的燃燒模式可與其他有關標準關聯。另外，可存在可能影響在一種給定燃氣渦輪機操作條件下的燃燒模式選擇的次要因素，諸如環境條件、燃氣渦輪機條件等。
[0006]在能夠以多種操作模式操作的這樣的燃氣渦輪機系統中，可能期望在燃氣渦輪發動機正連續操作時，從一種燃燒模式轉換至另一種燃燒模式。然而，在此類已知的燃氣渦輪機系統中，在仍在燃燒直接邊界控制條件下操作時，尚不能夠在燃燒模式之間轉換。這是因為直接用于控制的和/或用作輸入到用于控制的未測量邊界參數的模型中的輸入值的邊界測量值中的一些取決于當前燃燒模式。這樣，這些測量值無法用于準確地預測被動分流。因此，控制系統有必要退出燃燒直接邊界控制并且在無直接反饋回路的情況下參考開回路分流調度表(open loop split schedule)。開回路分流可基于一種測量或建模的燃燒參考參數進行調度，所述燃燒參考參數是不取決于燃燒模式并且通常將存儲在控制系統內存儲器中，所述存儲器含有對應于在不同操作條件下的各種燃燒模式的分流，以便實施燃燒模式之間的變化。在從分流調度表檢索出初始或“降落點(landing spot) ”分流后，并且相關測量值充分反映出燃氣渦輪機以新的燃燒模式操作，那么可以恢復燃氣渦輪發動機的燃燒直接邊界控制操作。然而，這種方法具有若干缺點。首先是在運行到開回路調度表的過程中缺乏穩健性并且在禁用直接邊界控制時，可能違反邊界限制的風險增加。其次，針對每種模式確定并維持不同燃燒模式和不同條件(例如，不同負載路徑或排氣溫度)下的眾多分流調度表可能是勞動強度大的且花費高昂的，因為燃氣渦輪發動機的預定分流調度表的生成和維護涉及利用維護人員來進行燃氣渦輪發動機的重復周期性現場調整。
【發明內容】
[0007]下面概述其范圍與最初要求保護的本發明相稱的某些實施例。這些實施例不是意在限制要求保護的本發明的范圍，這些實施例而是僅預計提供本發明的可能形式的概述。實際上，本發明可包含可與下面提出的實施例相似或不同的多種形式。
[0008]技術方案1:一種用在燃氣渦輪發動機中轉換燃燒模式的方法，所述方法使用包括連接至存儲器裝置的處理器的計算裝置來實施，所述方法包括:利用所述計算裝置生成代表初始分流集合的數據，用于向所述燃氣渦輪發動機中的至少一個燃燒器提供燃料和空氣的至少一種；利用所述計算裝置生成所述燃氣渦輪發動機的模型，其中所述燃氣渦輪發動機模型生成代表所述燃氣渦輪發動機內的至少一個操作條件的數據作為輸出；利用所述計算裝置內的第一分流計算模塊生成代表至少一個主動控制分流集合的數據，用于使用所述初始分流數據作為輸入來在第一燃燒模式下控制所述燃氣渦輪發動機；以及利用所述計算裝置內的至少第二分流計算模塊生成代表至少一個被動控制分流集合的數據，用于使用自動生成的控制分流數據集合作為輸入來在至少第二燃燒模式下控制所述燃氣渦輪發動機。
[0009]技術方案2:根據技術方案I所述的方法，其中生成代表至少一個主動控制分流集合的數據信號包括:利用所述第一分流計算模塊生成代表與多個燃燒參數邊界值相對應的多個主動控制分流集合的數據。
[0010]技術方案3:根據技術方案2所述的方法，其中所述方法包括利用所述計算裝置選擇代表與所述燃燒參數邊界值中的至少一個相對應的主動控制分流集合的數據。
[0011]技術方案4:根據技術方案I所述的方法，其中利用所述計算裝置內的第一分流計算模塊生成代表至少一個主動控制分流集合的數據包括:利用第一邏輯節點接收并選擇性地重新傳輸所述初始分流數據；利用選擇性地連接至所述第一邏輯節點和連接至所述燃氣渦輪機模型模塊的轉換函數計算節點生成代表所預測操作參數集合的數據，以用于基于至少一個預定燃燒參數邊界值計算一個或多個分流；利用選擇性地連接至所述第一邏輯節點和連接至所述轉換函數計算節點的處理節點，基于所述至少一個第一預定燃燒參數邊界值生成代表多個主動控制分流集合的數據；利用連接至所述處理節點的優先級選擇節點，從所述多個主動控制分流集合中選擇與所選擇的至少一個燃燒參數邊界值相對應的主動控制分流數據集合；以及利用所述優先級選擇節點，將所選擇的主動控制分流數據傳輸至所述燃氣渦輪發動機以及所述第一邏輯節點。
[0012]技術方案5:根據技術方案I所述的方法，其中所述方法包括在所述計算裝置確定所監視操作條件的閾值超過預定閾值后在燃燒模式之間轉換。
[0013]技術方案6:根據技術方案5所述的方法，其中在燃燒模式之間轉換包括:使用在燃燒模式轉換開始時捕獲的主動控制分流和在所述燃燒模式轉換期間連續計算的被動控制分流，以使得所述轉換開始時的所述主動控制分流遞增地調整，以接近所述被動控制分流。
[0014]技術方案7:根據技術方案I所述的方法，其中利用所述計算裝置內的第二分流計算模塊生成代表至少一個被動控制分流集合的數據包括:利用選擇性地連接至第一邏輯節點和連接至所述燃氣渦輪機模型模塊的轉換函數計算節點生成代表所預測操作參數集合的數據，用于基于至少一個預定燃燒參數邊界值計算分流；利用選擇性地連接至所述第一邏輯節點和連接至所述轉換函數計算節點的處理節點，基于所述至少一個預定燃燒參數邊界值生成代表多個被動控制分流集合的數據；利用連接至所述處理節點的優先級選擇節點，從所述多個主動控制分流集合中選擇與所選擇的至少一個燃燒參數邊界值相對應的被動控制分流數據集合；利用所述優先級選擇節點將所選擇的被動控制分流數據傳輸至所述第一邏輯節點；以及利用所述第一邏輯節點接收所選擇的被動控制分流數據并將其選擇性地重新傳輸至所述轉換函數計算節點和所述處理節點。
[0015]技術方案8:根據技術方案I所述的方法，其中所述方法包括:利用第二邏輯節點接收所述主動控制分流數據和所述被動控制分流數據；以及使用所述主動控制分流數據來控制所述燃氣渦輪發動機。
[0016]技術方案9:根據技術方案8所述的方法，其中所述方法包括:利用所述計算裝置監視所述燃氣渦輪發動機內的至少一個操作條件；以及當所述監視操作條件跨越預定閾值時，利用所述計算裝置將所述燃氣渦輪發動機的控制從所述第一燃燒模式轉換至所述第二燃燒模式。
[0017]技術方案10:根據技術方案9所述的方法，其中利用所述計算裝置將所述燃氣渦輪發動機的控制從所述第一燃燒模式轉換至所述第二燃燒模式包括:使用所述被動控制分流數據來選擇性地控制所述燃氣渦輪發動機；將所述第一分流計算模塊從主動控制方式轉變為被動控制方式；以及將所述第二分流計算模塊從被動控制方式轉變為主動控制方式。
[0018]技術方案11: 一種用在燃氣渦輪發動機中在燃燒模式之間轉換的系統，所述系統包括:包括處理器的計算裝置；以及其上編碼有計算機可讀指令的計算機可讀存儲裝置，所述計算機可讀指令可由所述處理器執行以執行包括以下各項的功能:生成代表初始分流集合的數據，用于向所述燃氣渦輪發動機中的至少一個燃燒器提供燃料和空氣的至少一種；生成所述燃氣渦輪發動機的模型，其中所述燃氣渦輪發動機模型生成代表所述燃氣渦輪發動機內的至少一個操作條件的數據作為輸出；利用所述計算裝置內的第一分流計算模塊生成代表至少一個主動控制分流集合的數據，用于使用所述初始分流數據作為輸入來在第一燃燒模式下控制所述燃氣渦輪發動機；利用所述計算裝置內的至少第二分流計算模塊生成代表至少一個被動控制