用于在瞬變期間控制燃氣渦輪發動機的控制系統和方法
【專利摘要】提供了用于燃氣渦輪發動機的控制系統和方法。控制器(40)對至少一個參數作出響應,以控制空燃比。所述參數可以是來自溫度傳感器(42)的測量的發動機排氣溫度。在例如發動機的功率提升狀況之類的瞬變期間,這類參數的測量值可具有時滯,所述時滯在瞬變狀況期間影響一個或多個控制設定。所述控制器被編程為預測性地為所述參數的測量值確定偏差,以校正這些控制設定,并且避免在這類瞬變狀況期間的燃燒不穩定性和高排放。
【專利說明】
用于在瞬變期間控制燃氣滿輪發動機的控制系統和方法
技術領域
[0001] 本發明總體上設及用于例如燃氣滿輪發動機之類的發電裝置的控制系統和方法, 并且更具體而言,設及用于在例如功率提升(ramping)之類的瞬變期間控制燃氣滿輪發動 機的控制系統和方法。
【背景技術】
[0002] 例如燃氣輪機電站之類的發電系統包括復雜的燃燒部件和過程,W便改善燃燒效 率。最近的市場趨勢要求燃氣滿輪發動機具有快速的功率提升能力(ramping capability)。例如,隨著通過風能的利用來發電的出現,電力企業可將燃氣輪機與風力滿 輪機場(wind turbine fields)互連,W維持恒定的電網發電,而不管風力變化(wind vari ab i 1 i ty)如何。因此,具備快速的提升能力正在變為期望的能力,使得燃氣滿輪發動機 能夠有助于將公用事業發電維持在恒定的水平,并且緩解任何其他的電網干擾。盡管在該
技術領域中已取得進步,但仍然需要在運些快速提升狀況期間能夠維持適當的發動機燃燒 動力學并且繼而提供可接受的排放水平的控制系統和方法。
【附圖說明】
[0003] 鑒于附圖在下面的描述中解釋本發明,附圖示出了 :
[0004] 圖1示出了相應的示例性繪圖,其可用于比較性地概念化在發動機的瞬變狀況期 間相對于測量的發動機排氣溫度響應的理想的發動機排氣溫度響應。
[0005] 圖2示出了相應的示例性繪圖,其可用于比較性地概念化在發動機的瞬變狀況期 間相對于理想的燃燒室空燃比(AFR)的實際的燃燒室Am?。
[0006] 圖3是可從實施本發明的多個方面的控制系統獲益的示例性燃氣輪機系統的示意 圖。
【具體實施方式】
[0007] 本發明人已創新性地克服了能夠與燃氣滿輪發動機在瞬變狀況期間的操作相關 地出現的某些問題,所述瞬變狀況例如可設及相對快速提升的狀況,在一個非限制性示例 中,所述相對快速提升的狀況可包括高達40MW/min并且可能甚至更高的提升速率(ramping rate)。本發明人已聰明地認識到,測量的發動機排氣溫度的滯后能夠導致發動機的空燃比 (AFR)的波動,運又能夠導致在運樣的瞬變期間的高氮氧化物(NOx)排放和高燃燒不穩定 性。本發明人提出了一種創新的控制系統和方法,在一個示例性實施例中,其去除或至少大 幅減小了測量的發動機排氣溫度的滯后效應。
[000引圖1示出了相應的示例性繪圖,其可用于將在例如發動機的提升狀況之類的通過 繪圖6表示的瞬變期間的理想的發動機排氣溫度響應(繪圖4)與測量的發動機排氣溫度響 應(繪圖5)進行比較。在該示例中,能夠注意到在理想的發動機排氣溫度響應和測量的發動 機排氣溫度之間的大約30秒的時滯(通過箭頭7表示)。
[0009] 由于測量的發動機排氣溫度的運種時滯,發動機空燃比(AFR)可在發動機的提升 狀況期間波動。運可在圖2中注意到,其中,繪圖8表示實際測量的燃燒室AFR的示例,并且繪 圖9表示理想的燃燒室AFR。繪圖8上的圈11表示易于發生相對高排放和高燃燒不穩定性的 區域。一旦發動機達到穩態操作,測量的排氣溫度和AFR就基本上與理想的排氣溫度和AFR 匹配,并且作為結果,可滿足排放及燃燒動力學的需求。
[0010] 圖3圖示了示例性燃氣輪機系統10的示意圖,所述示例性燃氣輪機系統10的特定 部件可在本文中稱為發動機,并且所述示例性燃氣輪機系統10可從本發明的多個方面獲 益。將認識到的是,本發明的實施例可與各種燃氣輪機或其他發電系統一起使用。系統10可 包括用于引入環境氣流14的壓縮機12,所述環境氣流14可通過入口導葉(IGV)16來調節,W 控制到壓縮機12并且繼而到燃燒室20的氣流。壓縮的空氣18可W被提供給燃燒室20,并且 燃燒氣體22可W被提供給滿輪24,在那里,能量被提取W使軸26轉動。軸26可W給壓縮機12 和例如發電機(未示出)之類的輔助設備供能。
[0011] 系統10可包括燃料系統30,在一個示例性實施例中,所述燃料系統30可W給燃燒 室20提供至少一個可控的可燃燃料的流32。控制器40可W按照具有可執行指令的處理器或 計算機、數字或模擬控制系統或者用于接收輸入信號或數據包、處理數據、執行指令、產生 適當的輸出信號并且傳輸數據包的其他裝置的形式來提供。控制器40可W被配置成具有適 當的控制模塊和數據庫,W執行本發明的各個方面。在一個示例性實施例中,控制器40可對 至少一個參數作出響應,W控制空燃比。在例如發動機的提升狀況之類的瞬變期間,該參數 的測量值包括在發動機的瞬變狀況期間影響至少一個控制設定的時滯。根據本發明的多個 方面,控制器40可W被編程為預測性地確定校正值,例如發動機排氣溫度(Texh)偏差,W校 正運樣的控制設定。
[0012] 在一個示例性實施例中,控制器40提供了可部分基于發動機Texh測量的發動機控 審IJ。在不限制本發明的各方面的情況下,控制器40可W被稱為出口溫度控制(0TC)控制器, 并且該參數可包括測量的發動機排氣溫度,如可通過例如熱電偶之類的溫度傳感器42測量 的。將理解的是,一般而言,顯示時滯并且可用于控制空燃比的可被提供給控制器40的任何 溫度測量或指示都能夠從本發明的各方面獲益,而無論可取得該測量或指示的位置在哪。 因此,術語"發動機排氣溫度測量"無需限于發動機排氣位置。例如,該測量可包括葉片路徑 溫度測量或類似的測量。在一個示例性實施例中,所述偏差的確定可至少部分地基于發動 機在瞬變狀況期間的提升速率W及測量的發動機排氣溫度的時滯。在一個示例性實施例 中,所述偏差可W被應用于在目前發動機狀況下的穩態發動機Texh值。
[0013] 在一個示例性實施例中,所述偏差的確定是基于下式:
[0014] Texhbias'i = aX (MWrateX A tiagX (Texhss'i-Texhss'2))+b
[0015] 其中,
[0016] 了日油6133,1 =對在目前發動機狀況下的穩態排氣溫度巧日油)值的偏差,
[0017] ^xliss, 1 =在目前發動機狀況下的穩態Texh值,
[0018] 化xhss, 2 =在目標發動機狀況下的穩態Texh值,
[0019] MWrate =發動機的提升速率,
[0020] Atlag =滯后時間的值,
[0021] a =比例系數,W及
[0022] b =位點特定常數。
[0023] 如從上式能夠理解的,發動機排氣溫度偏差與發動機的提升速率、滯后時間值W 及在目前發動機狀況下和目標發動機狀況下的發動機排氣溫度值的差成比例。例如,如果 滯后被留下未校正,則控制器可能不適當地確定發動機實際上已達到目標狀況,并且控制 器可能嘗試IGV和/或燃料流設定來補償該錯誤的確定,直至測量的發動機排氣溫度的滯后 值最終趕上。該偏差實質上通過從穩態值預測發動機既不過度燃燒也不燃燒不足的狀況來 限定針對提升狀況的新的偽發動機狀態,并且因此,避免燃燒不穩定性和高排放。一旦Texh 偏差值已被確定,就可形成適當的控制邏輯表,如下面的表1中所示。在一個示例性實施例 中,運樣的控制邏輯表實質上起偏差調整器44的作用,所述偏差調整器44配置成根據環境 溫度和/或發動機負荷對通過控制器40確定的偏差進行調整。
[0024]
[00巧]表1:偏差調整器
[0026] 可基于確定的偏差來校正的一個示例性控制設定可W是在發動機的瞬變狀況期 間定位入口導葉16的控制設定。可校正的另一示例性控制設定可W是控制在發動機的瞬變 狀況期間對于到燃燒室20的可控的可燃燃料流32的需求。
[0027] 將理解的是,如可在燃氣滿輪發動機中在瞬變狀況期間用于去除或至少大幅減小 測量的發動機排氣溫度的滯后效應的示例性發明設備的各方面,W及本文所公開的方法可 通過任何適當的處理器系統、使用任何適當的編程語言或編程技術來實現。所述系統能夠 采用任何適當的電路的形式,例如可包含硬件實施例、軟件實施例或包括硬件元件和軟件 元件二者的實施例。在一個實施例中,所述系統可借助于軟件和硬件(例如,處理器、傳感器 等)來實現,其可包括但不限于固件、常駐軟件、微代碼等。此外,處理器系統的多個部分能 夠采用計算機程序產品的形式,所述計算機程序產品可由提供了供計算機或任何指令執行 系統使用或與之結合使用的程序代碼的計算機可用或計算機可讀的介質訪問。計算機可讀 介質的示例可包括例如半導體或固態存儲器之類的非暫時性的有形計算機可讀介質、磁 帶、移動計算機磁盤、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、剛性磁盤W及光盤。光盤的 當前示例包括光盤只讀存儲器(CD-ROM)、可擦寫光盤(CD-R/W)和DVD。界面顯示器可W是平 板電腦、平板顯示器、PDA等。
[0028] 雖然本文已示出和描述了本發明的各種實施例,但將顯而易見的是,運些實施例 僅作為示例來提供。在不脫離本文中的發明的情況下可作出許多變型、改變和替換。因此, 本發明意在僅通過所附權利要求的精神和范圍來限制。
【主權項】
1. 一種用于燃氣渦輪發動機的控制系統,包括: 對至少一個參數作出響應以控制空燃比的控制器,其中,在所述發動機的瞬變狀況期 間,所述至少一個參數的測量值包括在所述發動機的所述瞬變狀況期間影響至少一個控制 設定的時滯,其中,所述控制器被編程為預測性地確定偏差,以校正所述至少一個控制設 定。2. 如權利要求1所述的控制系統,其特征在于,所述控制器提供部分基于發動機排氣溫 度測量的控制,并且所述至少一個參數包括測量的發動機排氣溫度。3. 如權利要求2所述的控制系統,其特征在于,所述偏差的確定至少部分地基于所述發 動機在所述瞬變狀況期間的提升速率和所述測量的發動機排氣溫度的時滯。4. 如權利要求2所述的控制系統,其特征在于,所述偏差被應用于在目前發動機狀況下 的穩態排氣溫度值。5. 如權利要求2所述的控制系統,其特征在于,所述偏差的確定是基于下式: Texhbias,i = aX (MffrateX A tiagX (Texhss,i-Texhss,2))+b 其中, Texhbias, 1 =對在目前發動機狀況下的穩態排氣溫度(Texh)值的偏差, Texhss, 1 =在所述目前發動機狀況下的穩態Texh值, Texhss,2 =在目標發動機狀況下的穩態Texh值, Mffrate =所述發動機的提升速率, A tiag =滯后時間的值, a=比例系數,以及 b =位點特定常數。6. 如權利要求1所述的控制系統,還包括控制到壓縮機的入口氣流的入口導葉,其中, 所述至少一個控制設定包括在所述發動機的瞬變狀況期間定位所述入口導葉的控制設定。7. 如權利要求1所述的控制系統,還包括控制到燃燒室的至少一個燃料流的燃料系統, 其中,所述至少一種控制設定還包括對所述至少一個燃料流的需求。8. 如權利要求2所述的控制系統,還包括偏差調整器,所述偏差調整器配置成根據環境 溫度來調整所述偏差。9. 如權利要求2所述的控制系統,還包括偏差調整器,所述偏差調整器配置成根據發動 機負荷來調整所述偏差。10. 如權利要求2所述的控制系統,還包括偏差調整器,所述偏差調整器配置成根據環 境溫度和/或發動機負荷來調整所述偏差。11. 一種用于控制燃氣渦輪發動機的方法,所述方法包括: 利用對至少一個參數作出響應的控制器來控制空燃比; 測量所述至少一個參數的值,所述至少一個參數的所述值在所述發動機的瞬變狀況期 間包括在所述發動機的所述瞬變狀況期間影響至少一個控制設定的時滯;以及 預測性地確定偏差,以校正所述至少一個控制設定。12. 如權利要求11所述的方法,其特征在于,所述控制包括部分地基于發動機排氣溫度 測量的控制,并且所述至少一個參數包括測量的發動機排氣溫度。13. 如權利要求12所述的方法,其特征在于,所述偏差的確定至少部分地基于所述發動 機在所述瞬變狀況期間的提升速率和所述測量的發動機排氣溫度的時滯。14. 如權利要求12所述的方法,還包括將所述偏差應用于在目前發動機狀況下的穩態 排氣溫度值。15. 如權利要求12所述的方法,其特征在于,所述偏差的確定是基于下式: Texhbias,i = aX (MffrateX A tiagX (Texhss,i-Texhss,2))+b 其中, Texhbias, 1 =對在目前發動機狀況下的穩態排氣溫度(Texh)值的偏差, Texhss, 1 =在所述目前發動機狀況下的穩態Texh值, Texhss,2 =在目標發動機狀況下的穩態Texh值, Mffrate =所述發動機的提升速率, A tiag =滯后時間的值, a=比例系數,以及 b =位點特定常數。16. 如權利要求11所述的方法,還包括利用入口導葉來控制到壓縮機的入口氣流,其 中,所述至少一個控制設定包括在所述發動機的瞬變狀況期間定位所述入口導葉的控制設 定。17. 如權利要求11所述的方法,還包括控制到燃燒室的至少一個燃料流,其中,所述至 少一個控制設定還包括對所述至少一個燃料流的需求。18. 如權利要求12所述的方法,還包括根據環境溫度來調整所述偏差。19. 如權利要求12所述的方法,還包括根據發動機負荷來調整所述偏差。
【文檔編號】F02C9/54GK106062343SQ201480071392
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2014年12月17日
【發明人】K·C·米杜圖里, D·W·科扎楚克
【申請人】西門子公司