BR102014011268A2 - conjunto, circuito de controle e método de controle de operação de um conjunto de motor a gás - Google Patents

Abstract

conjunto, circuito de controle e método de controle de operação de um conjunto de motor a gás. [001] trata-se de um conjunto de motor a gás inclui um compressor, um sistema de combustão, uma linha de desvio e um sistema de controle. o sistema de controle é configurado para controlar parâmetros de abastecimento de gás com base em um valor de atraso de transporte. o valor de atraso de transporte corresponde a um atraso entre um momento em que um mecanismo de controle de abastecimento de gás é ajustado e um momento em que o gás tem um ajuste correspondente a uma caracteristica de um gás que é recebido em um ponto predeterminado a jusante do mecanismo de controle de abastecimento de gás.

Description

“CONJUNTO, CIRCUITO DE CONTROLE E MÉTODO DE CONTROLE DE OPERAÇÃO DE UM CONJUNTO DE MOTOR A GÁS” Antecedentes da Invenção [0001] A matéria revelada neste documento refere-se a um controle de dosagem de gás de um motor a gás e, em particular, à determinação de um atraso de transporte em uma linha de abastecimento de gás de um motor a gás de turbocarregador e controlar parâmetros de abastecimento de gás com base no atraso de transporte.

[0002] Turbinas a gás de motores a gás geram potência fornecendo-se um fluido, como gás, ar ou uma misturador de gás/ar, para um compressor, aquecendo o fluido com um combustor e conduzindo o fluido aquecido através de um estágio de turbina. O estágio de turbina inclui pás ou palhetas fixadas a um eixo e configuradas para girar o eixo conforme o fluido aquecido é direcionado para as pás ou palhetas, girando o eixo a fim de gerar a potência. Em uma turbina de turbocarregador, a rotação do eixo pode ser usada para girar as pás no compressor para forçar a indução do ar no interior do compressor.

[0003] O abastecimento de gás do compressor e o sistema de combustão podem ser controlados por uma válvula de dosagem de gás, e uma mistura de ar e de gás fornecida ao compressor e o sistema de combustão podem ser controlados por um misturador de gás. No entanto, quando transmite sinais de controle para uma válvula de dosagem de gás ou um misturador de gás para expelir uma quantidade desejada de gás ou uma mistura desejada de gás/ar para o combustor, há um atraso entre um momento em que um mecanismo de controle de abastecimento de gás, como uma válvula de abastecimento de gás, é ajustado e um momento em que uma mudança correspondente em uma característica de gás é recebida em um ponto a jusante do mecanismo de controle do abastecimento de gás.

Descrição Resumida da Invenção [0004] De acordo com um aspecto da invenção, um conjunto de motor a gás inclui um compressor configurado para receber um gás a partir de uma primeira linha de abastecimento de gás e para comprimir o gás. Um sistema de combustão recebe o gás a partir do compressor através de uma segunda linha de abastecimento de gás para queimar o gás e um combustível. Uma linha de desvio tem uma extremidade conectada à primeira linha de abastecimento de gás e uma extremidade oposta conectada à segunda linha de abastecimento de gás para desviar uma porção menor do gás ao invés de todo o gás a partir de uma dentre a primeira e a segunda linhas de abastecimento de gás para outra dentre a primeira e a segunda linhas de abastecimento de gás. Um sistema de controle controla os parâmetros de abastecimento de gás com base em um atraso de transporte, em que o atraso de transporte corresponde a um atraso entre um momento em que um mecanismo de abastecimento de gás é ajustado e um momento em que uma mudança correspondente em uma característica do gás é detectada em um ponto predeterminado a jusante do mecanismo de abastecimento de gás.

[0005] De acordo com outro aspecto da invenção, um módulo de cálculo de atraso de transporte recebe uma medição de pelo menos um sensor ao longo de um trajeto de abastecimento de gás entre uma fonte de abastecimento de gás e um sistema de combustão e calcula um valor de atraso de transporte correspondente a um atraso entre um momento em que um mecanismo de controle de abastecimento de gás é ajustado e um momento em que o gás que tem um ajuste correspondente de uma característica do gás chega ao sistema de combustão. Um módulo de comando de mecanismo de abastecimento de gás gera um sinal de controle de abastecimento de gás para controlar o mecanismo de controle de abastecimento de gás com base no valor de atraso de transporte.

[0006] Ainda de acordo com outro aspecto da invenção, um método de controle de operação de um conjunto de motor a gás inclui obter pelo menos uma série de medições de pelo menos um sensor ao longo de um trajeto de abastecimento de gás, em que o trajeto de abastecimento do gás é configurado para fornecer o gás proveniente de uma fonte de abastecimento de gás para um compressor e do compressor para um sistema de combustão de uma turbina a gás. O conjunto do motor a gás inclui uma linha de desvio que tem uma extremidade conectada ao longo do trajeto de abastecimento de gás entre a fonte do abastecimento de gás e o compressor e uma extremidade oposta conectada ao longo do trajeto de abastecimento de gás entre o compressor e o sistema de combustão. O método inclui calcular o valor do atraso de transporte correspondente a um atraso entre um momento em que o mecanismo de controle do abastecimento de gás é ajustado e um momento em que o gás que tem um ajuste correspondente de uma característica do gás é recebida em um ponto predeterminado a jusante de um mecanismo de controle de abastecimento de gás. O método inclui gerar um sinal de controle de abastecimento de gás para controlar o mecanismo de controle de abastecimento de gás com base no valor de atraso de transporte.

[0007] Essas e outras vantagens e recursos se tornarão mais evidentes a partir da descrição a seguir considerada em conjunto com os desenhos.

Breve Descrição dos Desenhos [0008] A matéria, a qual é considerada como a invenção é, particularmente indicada e claramente reivindicada nas reivindicações na conclusão do relatório descritivo. Os recursos anteriores e outros recursos e as vantagens da invenção são evidentes a partir da descrição detalhada a seguir em conjunto com os desenhos anexos, nos quais: A Figura 1 ilustra um conjunto de motor a gás de acordo com uma realização da invenção; A Figura 2 ilustra um conjunto de motor a gás de acordo com outra realização da invenção; A Figura 3 ilustra um conjunto de motor a gás de acordo com outra realização da invenção; A Figura 4 é um diagrama de bloco de um controlador de motor a gás de acordo com uma realização da invenção; e A Figura 5 é um fluxograma de um método para controlar um motor a gás de acordo com uma realização. A descrição detalhada explica realizações da invenção, junto a vantagens e recursos, com fins exemplificativos com referência aos desenhos.

Descrição Detalhada da Invenção [0009] Em sistemas de motor a gás, há um atraso entre um momento em que um mecanismo de abastecimento de gás ou ar é ajustado e o momento em que uma mudança correspondente em um fluxo de gás para um sistema de combustão é recebida no sistema de combustão. Os atrasos podem resultar em ineficiências ou erros no sistema de abastecimento de gás/ar. As realizações da presente invenção se referem ao controle de uma mistura de gás/ar com base em um atraso de transporte determinado.

[0010] A Figura 1 ilustra um conjunto de motor a gás 100 de acordo com uma realização da invenção. O conjunto 100 inclui um sistema de abastecimento de gás 110, uma estrutura de turbina 120, um sistema de combustão 130 e um conjunto de controle do motor 140. Em operação, o sistema de abastecimento de gás fornece gás ao longo de uma primeira linha de abastecimento de gás 151 para a estrutura de turbina 120. A estrutura de turbina 120 inclui um compressor 121, um estágio de turbina 122 e um eixo 123 que conecta pás do compressor 121 a palhetas do estágio de turbina 122. Durante a operação, a estrutura de turbina 120 pode operar como um turbocarregador forçando-se a indução do gás para o interior do compressor 121 conduzindo-se as pás do compressor 121 com o eixo 123.

[0011] O gás flui a partir do compressor 121 para o sistema de combustão 130 através de uma segunda linha de abastecimento de gás 152. A linha de abastecimento de gás 152 pode ser dividida a partir de um trajeto de fluxo em múltiplos trajetos de fluxo na tubagem de entrada 131 para direcionar o gás a múltiplos combustores, por exemplo. O gás pode ser queimado e aquecido no sistema de combustão e pode ser expelido através de múltiplos trajetos de fluxo a partir da tubagem de exaustão 132 que corresponde a múltiplos combustores. O gás é direcionado do sistema de combustão 130 para o estágio de turbina 122 através de uma terceira linha de abastecimento de gás 154. O gás é emitido a partir do estágio de turbina 122 através de um trajeto de exaustão 155, onde o gás pode ser liberado no ar, capturado para armazenamento, reutilizado para aquecimento adicional ou operações de resfriamento, ou pode ser usado para qualquer outro propósito.

[0012] Em realizações da presente invenção, uma linha de desvio 153 tem uma primeira extremidade 156 conectada a montante do compressor 121 à primeira linha de abastecimento de gás 151 e uma segunda extremidade 157 conectada a jusante do compressor 121 à segunda linha de abastecimento de gás 152. Dependendo da razão de pressão entre a pressão na primeira linha de abastecimento de gás 151 e na segunda linha de abastecimento de gás 152, o gás pode fluir tanto da primeira extremidade 156 quanto para a segunda extremidade 157, ou da segunda extremidade 157 para a primeira extremidade 156. Por exemplo, quando o conjunto do motor 100 é configurado para operar como um turbocarregador, o gás pode fluir ao longo da linha de desvio 153 a partir da extremidade 156 conectada à primeira linha de abastecimento de gás 151 até a segunda extremidade 157 conectada à segunda linha de abastecimento de gás 152, desviando o compressor 121. O gás que é transmitido através da linha de desvio 153 é apenas uma porção do gás da primeira linha de abastecimento de gás 151 e o restante do gás que flui através da primeira linha de abastecimento de gás 151 flui para o compressor 121.

[0013] Já que a linha de desvio 153 desvia uma porção do gás da primeira ou segunda linhas de abastecimento de gás 151 ou 152, controlar um mecanismo de abastecimento de gás, como uma válvula, no sistema de abastecimento de gás 110, ou ao longo da primeira ou segunda linhas de abastecimento de gás 151 ou 152, ou ao longo da linha de desvio 153 resulta em uma resposta não linear no fluxo de gás entre o sistema de abastecimento de gás 110 e o sistema de combustão 130. Em outras palavras, ajustar uma válvula para que essa aumente o fluxo de gás para uma quantidade predeterminada pode não resultar em uma mudança proporcional ou linear nas características do gás, como a concentração de gás, na tubagem de entrada 131 do sistema de combustão 130.

[0014] Em realizações da presente invenção, o gás pode ser gás puro ou gás misturado ou uma combinação de ar atmosférico (também citado no relatório descritivo como “ar”) e outro gás, como oxigênio, nitrogênio ou qualquer outro gás ou mistura de gases que não são ar atmosférico. Em outras palavras, o termo “gás” no relatório descritivo pode se referir a um gás puro ou uma mistura de gases diferentes de ar ou uma mistura de gás/ar de acordo com o contexto em que o termo é usado. Por exemplo, o gás que flui através da primeira linha de abastecimento de gás 151 e a segunda linha de abastecimento de gás 152 pode ser uma mistura de gás/ar, enquanto um gás fornecido a partir de um abastecimento de gás, como o abastecimento de gás 111 da Figura 2, pode ser um gás puro ou uma mistura de gases que não são ar.

[0015] O conjunto do motor a gás 100 inclui mecanismos de controle do abastecimento de gás 162 e 164, também citados no relatório descritivo como válvulas (V) 162 e 164, localizados ao longo da linha de desvio 153 e da segunda linha de abastecimento de gás 152, Essas são fornecidas como exemplos de localizações de válvulas para controlar o fluxo de gás no conjunto 100, e as realizações da invenção abrangem válvulas adicionais, válvulas localizadas em diferentes localizações no interior do conjunto 100 e qualquer outro tipo de mecanismos de controle de abastecimento de gás além de válvulas.

[0016] O conjunto de motor a gás 100 também inclui os sensores (S) 161 e 163. O sensor 161 pode estar localizado ao longo da primeira linha de abastecimento de gás 151 e o sensor 163 pode estar localizado ao longo da segunda linha de abastecimento de gás 152. Embora os sensores 161 e 163 sejam fornecidos como exemplo, as realizações da invenção abrangem qualquer disposição de sensores no interior do conjunto 100, como ao longo da linha de desvio 153, no sistema de abastecimento de gás 110, na estrutura de turbina 120, ao longo de um ou mais dos múltiplos trajetos de fluxo 131 ou 132, ao longo da terceira linha de abastecimento de gás 154 ou ao longo do trajeto de fluxo de exaustão 155. Os sensores 161 e 163 podem incluir qualquer tipo de sensor, como sensores de pressão, sensores de temperatura, sensores de fluxo ou qualquer outro tipo de sensor.

[0017] Embora o trajeto de escoamento do gás tenha sido descrito como a primeira, segunda e terceira linhas de abastecimento de gás 151, 152 e 154, uma linha de desvio 153 e um trajeto de escape 155, realizações da presente invenção não estão limitadas a linhas ou condutos, mas as realizações englobam qualquer estrutura que possa confinar e direcionar o fluxo de um gás. Estruturas exemplificativas incluem linhas, tubos, mangueiras e cavidades perfuradas ou formadas em uma estrutura, como a estrutura de turbina 120, cavidades formadas por estruturas de enquadramento, como componentes de enquadramento ou a estrutura de turbina 120 ou quaisquer outras estruturas. A primeira, segunda e terceira linhas de abastecimento de gás 151, 152 e 154, uma linha de desvio 153 e um trajeto de exaustão 155 podem incluir qualquer formato e podem ter diferentes porções que têm diferentes formatos, como tubular, substancialmente liso, reto, curvado, estreito, decrescente na área de corte transversal, crescente na área de corte transversal ou qualquer outro formato de acordo com o projeto das considerações do conjunto 100.

[0018] O conjunto de motor a gás 100 também inclui o conjunto de controle de motor 140 configurado para controlar um abastecimento de gás do sistema de abastecimento 110 para o sistema de combustão 130. Em uma realização, o conjunto de controle de motor 140 inclui um conjunto de circuitos como um circuito de processamento, memória, lógica programável, componentes elétricos passivos e outro conjunto de circuitos para receber, armazenar, analisar e transmitir dados. O conjunto de controle de motor 140 recebe e armazena medidas 141 dos sensores 161 e 163. As medições 142 são utilizadas em uma unidade de análise de alimentação direta 142 para medir um atraso de transporte do gás ao longo da primeira e da segunda linhas de abastecimento de gás 151 e 152, enquanto leva em consideração um desvio de uma porção do fluido de gás através da linha de desvio 153. Consequentemente, em uma realização, a unidade de análise de alimentação direta 142 aplica um algoritmo não linear para gerar um sinal de compensação de alimentação direta.

[0019] Em uma realização, a unidade de análise de alimentação direta 142 inclui um ou ambos, software e hardware, configurados para representar um algoritmo que recebe, como entrada, os dados de sensor medidos e gera, como saída, um ou mais valores que correspondem a um atraso de transporte do conjunto de motor a gás 100. O algoritmo descreve mudanças de concentração de gás em tubagens ao longo do trajeto de abastecimento de gás (como através do sistema de abastecimento de gás 110 ao longo da primeira linha de abastecimento de gás 151, através do compressor 121 ao longo da segunda linha de abastecimento de gás 152 e ao longo da linha de desvio 153) como uma função dos estados do motor. Em algumas realizações, os estados do motor correspondem a níveis de combustão do sistema de combustão 130, velocidade de rotação ou níveis de torque da estrutura de turbina 120, níveis de consumo de combustível, níveis de fluxo de gás, níveis de exaustão ou quaisquer outros estados do motor.

[0020] Em uma realização, o algoritmo é um algoritmo não linear que expressa o atraso de transporte entre um mecanismo de abastecimento de gás e a tubagem de entrada 131. O algoritmo leva em consideração o desvio de uma porção de gás da primeira e da segunda linhas de abastecimento de gás 151 e 152 através da linha de desvio 153.

[0021] O conjunto de controle do motor 140 também inclui um gerador de valor-alvo 143. O valor-alvo corresponde a um estado de motor, como um valor de um parâmetro de gás. Em uma realização, o valor-alvo corresponde a uma concentração de gás que é desejada na tubagem de entrada 131 do sistema de combustão 130. Em uma realização, o valor-alvo é calculado com base nos dados de referência, como entrada de dados de um usuário, dados de modelo para controlar a turbina a gás ou quaisquer outros dados de referência. Por exemplo, o conjunto de motor a gás 100 pode ser controlado de acordo com um modelo que calcula um valor-alvo para alcançar uma nível de saída de potência desejado, como uma velocidade de rotação do eixo 123, um nível de torque do eixo 122, níveis de saída de exaustão predefinidos, níveis de consumo de combustível predeterminados, níveis de consumo de gás predeterminados, qualquer combinação desses níveis ou qualquer outro critério que corresponda à saída de potência.

[0022] O valor-alvo é fornecido para a unidade de análise de retroalimentação 144, que compara o valor-alvo às medidas 141 para gerar um valor de erro. O valor de análise de alimentação direta e o valor de erro são fornecidos a um gerador de sinal de controle 145 para gerar sinais de controle para controlar a operação de conjunto de motor a gás 100. Exemplos de sinais de controle incluem sinais de controle para controlar as válvulas 162 e 164, para controlar um abastecimento de gás do sistema de abastecimento de gás 110, para controlar um combustível suprido ao sistema de combustão 130 ou para controlar qualquer outro parâmetro variável do conjunto de motor a 100.

[0023] Em uma modalidade, a unidade de análise de alimentação direta 142 calcula o atraso de transporte com base apenas em um ou ambos, os dados de pressão e os dados de temperatura, dos sensores de pressão e temperatura. Em outra modalidade, a unidade de análise de alimentação direta 142 calcula o atraso de transporte com base apenas em um ou mais dentre dados de pressão de um sensor de pressão, dados de temperatura de um sensor de temperatura, dados de velocidade de rotação do compressor 121, eixo 123 ou estágio de turbina 122 e fluxo de massa de gás através de um mecanismo de abastecimento de gás. Em outras palavras, enquanto o conjunto de motor a gás 100 pode incluir qualquer número e tipo de sensores, a unidade de análise de alimentação direta 142 pode utilizar cada um dos vários tipos de sensores para calcular o atraso de transporte, ou a unidade de análise de alimentação direta 142 pode calcular o atraso de transporte com apenas um subconjunto dos sensores, como apenas sensores de pressão, sensores de temperatura e sensores de velocidade de rotação da estrutura de turbina 120.

[0024] Em uma realização, o conjunto de motor a gás 100 não inclui um ou ambos, um sensor lambda e um sensor de concentração de oxigênio. Em tal realização, a unidade de análise de alimentação direta 142 calcula o atraso de transporte para que o sistema ajuste os sinais de controle de abastecimento de gás 145 com base em outros sensores ao longo do trajeto de abastecimento de gás, como sensores de pressão, sensores de temperatura, sensores de velocidade de rotação e sensores de fluido de gás. Em outra realização, o conjunto de motor a gás 100 inclui um ou ambos, um sensor lambda e um sensor de concentração de oxigênio. Em tal realização, a unidade de análise de alimentação direta 142 pode calcular o atraso de transporte para fornecer redundância de sistema. Em tal realização, o atraso de transporte calculado pela unidade de análise de alimentação direta 142 é comparado a dados gerados por um ou ambos, o sensor lambda e o sensor de concentração de oxigênio, para detectar falhas de sensores, falhas de softwares ou outras anomalias no conjunto de motor a gás 100.

[0025] A Figura 1 ilustra uma configuração de um conjunto de motor 100 que tem gás injetado de um sistema de abastecimento de gás 110 a montante da primeira extremidade 156 da linha de desvio 153. No entanto, realizações da invenção abrangem a injeção de gás em qualquer ponto ao longo das linhas de abastecimento de gás e de ar 151 e 152. Por exemplo, em uma realização, a primeira extremidade 156 da linha de desvio 153 está localizada a montante do sistema de abastecimento de gás 110. Em tal realização, o ar pode ser suprido para o sistema de abastecimento de gás 110 e o ar pode fluir pela a abertura da linha de desvio 153 na primeira extremidade 156 da linha de desvio 153. O gás pode ser misturado na corrente de ar pelo sistema de abastecimento de gás 110, como discutido acima.

[0026] Em ainda outra realização, o sistema de abastecimento de gás 110 pode injetar o gás na linha de abastecimento 152 a jusante da segunda extremidade 167 da linha de desvio 153 anterior à válvula 164, que pode ser denominada válvula borboleta 164. Em outras palavras, realizações da invenção abrangem qualquer configuração de introdução de gás do sistema de abastecimento de gás 110 na primeira e na segunda linhas de abastecimento 151 e 152.

[0027] A Figura 2 ilustra um conjunto de motor a gás 200 de acordo com outra realização da invenção. Elementos do conjunto de motor a gás 200 que são iguais aos da Figura 1 foram descritos anteriormente e não são descritos novamente em relação à Figura 2. Conforme ilustrado na Figura 2, em uma realização, o sistema de abastecimento de gás 110 inclui um abastecimento de gás 111, um válvula de dosagem de gás (V) 112, um sensor (S) 113 e um misturador de ar/gás (M) 114. O abastecimento de gás 111 pode ser um recipiente de armazenamento, um sistema de filtração de gás ou outro sistema ou trajeto para fornecer um gás diferente de ar para o conjunto de motor a gás 200.

[0028] A válvula de dosagem de gás 112 controla o fluxo de gás diferente de ar no conjunto de motor a gás 200 e o sensor 113 detecta uma característica do gás diferente de ar, como uma pressão, temperatura, concentração, taxa de fluxo ou qualquer outra característica. O misturador 114 controla uma quantidade de ar adicionada ao gás diferente de ar a ser suprido ao sistema de combustão 130. O gás resultante (que pode ser um gás diferente de ar, ou uma mistura de ar e do gás diferente de ar, ou uma mistura de gás/ar) é suprido ao compressor 121 e uma porção pode ser desviada através da linha de desvio 153, conforme discutido acima em relação à Figura 1.

[0029] Em uma realização, o gás do compressor 121 é suprido a um arrefecedor intermediário 168 para controlar uma temperatura do gás. A válvula 164, que pode ser denominada válvula borboleta 164, controla o fluxo do gás no sistema de combustão 130. Um sensor 165 está localizado a jusante da válvula borboleta 164 e detecta características do gás na tubagem de entrada 131. Em uma realização, cada um dos múltiplos trajetos de fluxo da tubagem de entrada 131 inclui um sensor separado 165.

[0030] Em uma realização, o conjunto de motor a gás inclui os sensores 166 e 167 para detectar características da saída de exaustão de gás da tubagem de exaustão 132 e um estágio de turbina 122, respectivamente. Em realizações da presente invenção, o atraso de transporte entre o momento que um mecanismo de abastecimento de gás é controlado até um momento em que um recurso correspondente no fluxo de gás é recebido na tubagem de entrada 131 pode ser calculado com base nos dados detectados de um ou mais dentre os sensores 113, 161, 163, 165, 166 e 167. Em uma realização, o atraso de transporte é calculado com base em dados de análise de dois ou mais dentre os sensores 113, 161, 163, 165, 166 e 167. Em uma realização, o atraso de transporte é calculado com base na análise de dados de dois ou mais dentre os sensores 113, 161, 163, 165, 166 e 167 ao longo do tempo.

[0031] Por exemplo, em uma realização, um sinal de controle do abastecimento de gás é transmitido ao misturador 114 para ajustar uma proporção do gás para o ar que é fornecido a primeira linha de abastecimento de gás 151. Uma mudança nas características de um fluxo de gás, como uma mudança em uma pressão ou temperatura do gás é detectada pelo sensor 161 e uma característica correspondente é detectada em um conjunto de dados fornecidos pelo sensor 161 para o conjunto de controle de motor 140. Uma mudança em uma característica de fluxo de gás, como uma pressão ou temperatura é também detectada pelo sensor 165 e uma característica correspondente é detectada em um conjunto de dados fornecido pelo sensor 165 para o conjunto de controle do motor 140. Em uma realização, características detectadas nos conjuntos de dados dos sensores 161 e 165 têm um relacionamento não linear na mudança da proporção de ar para gás, devido, pelo menos, em parte a linha de desvio 153 que desvia, pelo menos, uma porção do gás para contornar o compressor 121 (ou para ser alimentado de volta para a primeira linha de abastecimento de gás 151 de uma segunda linha de abastecimento de gás 152). Em uma realização, a unidade de análise de alimentação direta 142 do conjunto de controle de motor 140 analisa um momento em que as características que correspondem às mudanças nas características de fluxo aparecem nos conjuntos de dados dos sensores 161 e 165 e determina um atraso de transporte entre um momento em que o misturador 114 mudou as configurações para um momento em que uma porção correspondente do gás que tem uma mudança nas características do gás (como uma mudança de concentração do gás) chegou até a tubagem de entrada 131. O gerador de sinal de controle 145 então ajusta ou gera sinais de controle para controlar válvulas ou outros mecanismos de controle de abastecimento de gás que levam em consideração o valor de atraso de transporte calculado.

[0032] Embora as Figuras 1 e 2 ilustrem uma turbina a gás de único estágio, realizações da presente revelação não estão limitadas a um único estágio, por exemplo, a Figura 3 ilustra um conjunto de motor a gás de dois estágios 300 de acordo com uma realização da presente invenção.

[0033] O conjunto de motor a gás de dois estágios 300 é similar aos conjuntos de turbina a gás 100 e 200 das Figuras 1 e 2, exceto o conjunto de motor a gás de dois estágios 300 que inclui uma estrutura de turbina de baixa pressão 320 e uma estrutura de turbina de alta pressão 330. Embora apenas duas estruturas de turbina 320 e 330 estejam ilustradas na Figura 3, realizações da invenção abrangem qualquer número de estruturas de turbina.

[0034] O conjunto de motor a gás de dois estágios 300 inclui um sistema de abastecimento de gás 310, uma estrutura de turbina de baixa pressão 320, uma estrutura de turbina de alta pressão 330 e um sistema de combustão 350. O sistema de abastecimento de gás 310 inclui um abastecimento de gás 311, uma válvula de dosagem de gás (V) 312, um sensor (S) 313 e um misturador de ar/gás (M) 314. O abastecimento de gás 311, a válvula de dosagem de gás (V) 312, o sensor (S) 313 e o misturador de ar/gás (Μ) 314 foram descritos anteriormente de acordo com o abastecimento de gás 111, a válvula de dosagem de gás (V) 112, o sensor (S) 113 e o misturador de ar/gás (M) 114 da Figura 2.

[0035] A saída de gás (que pode ser um gás diferente de ar ou uma mistura do ar e do gás diferente de ar ou uma mistura de gás/ar) de um misturador de ar/gás 314 é fornecida ao compressor 321 da estrutura de turbina de baixa pressão 320. A estrutura de turbina de baixa pressão inclui o compressor 321, um estágio de turbina 322 e um eixo 323 que é rotacionado com base no abastecimento de gás ao estágio de turbina 322. Em algumas circunstâncias, uma porção do gás do misturador de ar/gás 314, menos do que todo o fluxo de gás, é desviado através de uma ou ambas as linhas de desvio 340 e 344. O gás é fornecido pelo compressor 321 a um arrefecedor intermediário 362 para controlar uma temperatura do gás e o gás é transmitido para o compressor 331 de uma estrutura de turbina de alta pressão 330. A estrutura de turbina de alta pressão 330 inclui o compressor 331, um estágio de turbina 332 e um eixo 333 que é rotacionado com base no abastecimento de gás para o estágio de turbina 332. Em algumas circunstâncias, uma porção de gás do compressor 321, menos que todo o fluxo de gás, é desviado através de uma ou ambas as linhas de desvio 342 e 344.

[0036] O gás é fornecido do compressor 331 para o arrefecedor intermediário 364 e para o misturador 370. O misturador 370 recebe gás diferente de ar de um abastecimento de gás 368 e o fluxo do gás pode ser controlado por um mecanismo de controle de abastecimento de gás (V) 369. Ainda que dois misturadores 370 e 314 estejam ilustrados na Figura 3, em uma realização, apenas ar é fornecido ao primeiro compressor 321 e a turbina a gás de dois estágios 300 não inclui sistema de abastecimento de gás 310. Em tal realização, o misturador 370 é um misturador de ar/gás 370 configurado para controlar uma proporção do gás e do ar fornecido à tubagem de entrada 351.

Em outra realização, em que existem dois fornecimentos de gás 311 e 368 e dois misturadores 314 e 370, o misturador 370 controla a adição de um mesmo ou diferente gás do que o gás do abastecimento de gás 311 para a mistura de ar/gás que flui para o sistema de combustão.

[0037] Uma válvula borboleta 371 controla o fluxo de gás na tubagem de entrada 351, o gás aquecido e queimado flui para fora da tubagem de exaustão 352 e para os estágios de turbina 332 e 322. Os mecanismos de controle de abastecimento de gás, também referidos como válvulas (V) 312, 366, 367, 368, 369 e 371 controlam o fluxo de gás e uma mistura de ar/gás dos suplementos de gás 311 e 368 para o sistema de combustão 350. As válvulas 312, 366, 367, 368, 369 e 371 são controladas por um controle de conjunto de motor, como o controle de conjunto de motor 140 ilustrado na Figura 1 para controlar o fluxo de gás e uma mistura de ar/gás. Os sensores 313, 363, 363, 365, 372, 373, 374 e 375 medem as características do gás e da mistura de ar/gás em um conjunto de motor a gás de dois estágios 300. Os sensores 313, 363, 363, 365, 372, 373, 374 e 375 são similares aos sensores 113, 161, 163, 165, 166 e 167 das Figuras 1 e 2, que foram descritas anteriormente.

[0038] Como discutido acima a respeito das Figuras 1 e 2, os dados de medição de um ou mais dos sensores 313, 363, 363, 365, 372, 373, 374 e 375 é fornecida para o conjunto de controle de motor 140 para calcular o atraso de transporte do conjunto de motor a gás de dois estágios 300. O controle de conjunto de motor 140 gera sinais de mecanismo de controle de abastecimento de gás que levam em consideração o atraso de transporte para os mecanismos de controle de abastecimento de gás 312, 366, 367, 368, 369 e 371.

[0039] A Figura 4 ilustra um controlador de motor a gás 400 de acordo com uma realização da presente invenção. O controlador de motor a gás 400 pode corresponder ao conjunto de controle de motor 140 da Figura 1, por exemplo. O controlador de motor a gás 400 inclui um gerador de trajetória 402, que inclui um ou ambos, hardware e software, que representam um algoritmo para descrever uma transição entre estados operacionais de um conjunto de motor a gás, como os conjuntos de turbina 100, 200 e 300 das Figuras 1 a 3. Em outras palavras, o gerador de trajetória 402 recebe como dados de entrada referência de dados de um usuário, armazenados na memória de outro sistema de controle ou de qualquer outra fonte. O gerador de trajetória 402 determina o estado atual de um conjunto de motor e um estado-alvo. O gerador de trajetória 402 calcula uma trajetória de um estado atual para o estado-alvo e produz um valor-alvo que corresponde a um ponto ao longo da trajetória. Exemplos de estados-alvo do conjunto de motor a gás incluem qualquer parâmetro mensurável, como níveis de potência de saída, velocidades de rotação de um eixo ou estágio de turbina, temperaturas ou pressões de um sistema de combustão, combustível consumido, fluxo de gás ou qualquer outro estado do conjunto de motor a gás.

[0040] O controlador de motor a gás 400 também inclui uma unidade de comparação 404 que recebe como entradas medições de sensores do conjunto de motor a gás e o valor-alvo da trajetória de gerador 402. A unidade de comparação 404 gera um valor de erro que corresponde a uma diferença entre os dados medidos presentemente e o valor-alvo. O valor de erro pode ser um número, uma cadeia de números, uma equação que define um subconjunto de válvulas ou qualquer outro valor. O valor de erro é emitido para um gerador de sinal de compensação 406 que gera um sinal de compensação para um mecanismo de controle de abastecimento de gás de um conjunto de motor a gás com base no valor de erro.

[0041] O controlador de motor a gás 400 também inclui um calculador de atraso de transporte 408. O calculador de atraso de transporte 408 pode corresponder à unidade de análise de alimentação direta 142 da Figura 1. O caiculador de atraso de transporte inclui um ou ambos, software e hardware, configurados para representar um algoritmo que recebe como entradas o sensor de dados medidos e gera como saídas uma ou mais válvulas que correspondem a um atraso de transporte do conjunto de motor a gás. O algoritmo descreve mudanças da concentração de gás nas tubagens ao longo do trajeto de abastecimento de gás como uma função de estados de motor. Os estados de motor podem corresponder a níveis de combustão do sistema de combustão, velocidade de rotação ou níveis de torque da estrutura de turbina ou quaisquer outros estados do motor.

[0042] Em uma realização, o algoritmo é um algoritmo não linear que expressa o atraso de transporte entre um mecanismo de abastecimento de gás e a tubagem de entrada. O algoritmo leva em consideração o desvio de uma porção de gás, menos que todo o gás, através de uma linha de desvio do conjunto de motor a gás que tem extremidades conectadas a montante e a jusante de um compressor através do qual fluxo de gás flui.

[0043] O sina! de compensação e o valor de atraso de transporte são fornecidos a um compensador de atraso de transporte 410 para ajustar o sinal de compensação com base no sinal de atraso de transporte. O sinal de compensação ajustado é emitido para um gerador de sinal de controle 412 que gera um ou mais sinais de controle apropriados para os mecanismos de controle de abastecimento de gás no conjunto do motor a gás para controlar o fluxo de gás ou uma mistura de ar/gás para um sistema de combustão do sistema de motor a gás.

[0044] Em algumas realizações, o gerador de trajetória 402, a unidade de comparação 404, o gerador de compensação de sinal 406, o caiculador de atraso de transporte 408, o compensador de atraso de transporte 410 e o gerador de sinal de controle 412 estão incorporados no mesmo chip de computador, circuito microcontrolador, circuito integrado, circuito elétrico ou computador que tem um alojamento que encerra um conjunto de circuitos de processamento e uma memória. Em outras realizações, um ou mais dos geradores de trajetória 402, unidade de comparação 404, gerador de compensação de sinal 406, calculador de atraso de transporte 408, compensador de atraso de transporte 410 e gerador de sinal de controle 412 estão incorporados de maneira distribuída entre os múltiplos chips de computador, circuitos microcontroladores, circuitos integrados, placas de circuitos ou computadores.

[0045] A Figura 5 ilustra um fluxograma de um método de controle de um conjunto de motor a gás de acordo com uma realização. No bloco 502, as medições de sensor são obtidas no conjunto do motor a gás. As medições de sensor podem incluir sensores de pressão, sensores de temperatura, sensores de velocidade de motor e sensores de fluxo de gás. Em uma realização, as medições de sensor excluem um ou ambos de um sensor lambda e um sensor de concentração de oxigênio. As medições de sensor correspondem a um ou ambas características do gás de um abastecimento de gás entre uma fonte de abastecimento de gás e um sistema de combustão e características de turbina a gás, como velocidade rotacional. Em algumas realizações, as medições de sensor correspondem a uma mistura de gás/ar características de uma mistura de gás/ar entre a fonte de abastecimento de gás abastecimento e o sistema de combustão.

[0046] No bloco 504, as medições são comparadas a um ou mais valores-alvo para gerar um valor de erro. Em uma realização, o valor-alvo é calculado com base em uma trajetória que corresponde a um estado atual do conjunto de motor a gás e a um estado-alvo do conjunto de motor a gás. Em tal realização, os valores-alvo correspondem a pontos ao longo da trajetória e o valor de erro corresponde à diferença entre as características presentemente medidas de um motor a gás e as características-alvo de um motor a gás.

[0047] No bloco 506, as medições são analisadas ao longo do tempo para calcular um atraso de transporte. Em uma realização, o atraso de transporte é determinado com base em um algoritmo que recebe como entradas os dados do sensor medidos e gera como saídas um ou mais valores que correspondem a um atraso de transporte do conjunto de motor a gás. O algoritmo descreve mudanças de concentração de gás nas tubagens ao longo do trajeto de abastecimento de gás como uma função de estados de motor. Em algumas realizações, os estados de motor correspondem a níveis de combustão do sistema de combustão, velocidade rotacional ou níveis de torque da estrutura de turbina ou quaisquer outros estados de motor. Em uma realização, o algoritmo é um algoritmo não linear que expressa o atraso de transporte entre um mecanismo de abastecimento de gás e a tubagem de entrada. O algoritmo leva em consideração o desvio de uma porção de gás através de uma linha de desvio do conjunto de motor a gás que tem extremidades conectadas a montante e a jusante de um compressor através do qual um gás se desloca.

[0048] Em uma realização, a análise das medições ao longo do tempo inclui identificar em uma primeira característica em um primeiro conjunto de medições de um primeiro sensor que corresponde a um sinal de controle de abastecimento de gás e que identifica uma segunda característica em um segundo conjunto de medições de um segundo sensor que corresponde ao mesmo sinal de controle de abastecimento de gás. O atraso de transporte é então calculado com base em uma diferença de tempo entre a primeira e a segunda característica.

[0049] No bloco 508, sinais de controle são gerados para controlar um ou mais mecanismos de abastecimento de gás com base no valor de erro calculado e no valor de atraso de transporte.

[0050] As realizações da presente invenção controlam um conjunto de motor a gás com base no valor de atraso de transporte que leva em consideração características não lineares introduzidas, pelo menos em parte, por uma linha de desvio ao longo do percurso de abastecimento de gás para o sistema de combustão. As realizações da invenção abrangem sistemas que incluem qualquer tipo de sensores, como pressão, temperatura, velocidade de motor e sensores de fluxo de gás e, em uma realização, o sistema não inclui sensores lambda ou sensores de concentração de oxigênio. As realizações abrangem estágios únicos e múltiplos estágios de conjunto de turbina.

[0051] As realizações da invenção abrangem conjuntos de turbina, sistemas de controle de motor, circuitos, conjuntos, programas e modelos, bem como outros conjuntos de motor que incluem linhas de abastecimento de gás fornecidas para controlar uma saída de potência e que incluem passagem ao longo das linhas de abastecimento de gás. As realizações da presente invenção também abrangem, por exemplo, métodos para controlar conjuntos de turbina, calcular valores de atraso de transporte, gerar sinais de controle de abastecimento de gás.

[0052] Enquanto a invenção tem sido descrita em detalhes em conexão com apenas um número limitado de realizações, deveria ser prontamente entendido que a invenção não está limitada a tais realizações reveladas. Particularmente, a invenção pode ser modificada para incorporar qualquer número de variações, alterações, substituições ou arranjos equivalentes que não foram aqui descritos, mas que são comensuráveis com o espírito e escopo da invenção. Além disto, enquanto várias realizações da invenção têm sido descritas, deverá ser entendido que aspectos da invenção podem incluir apenas algumas das realizações descritas. Consequentemente, a invenção não deve ser vista como limitada pela descrição precedente, mas é apenas limitada pelo escopo das reivindicações anexas.

Reivindicações

Claims (20)

1. CONJUNTO DE MOTOR A GÁS, caracterizado peio fato de que compreende: um compressor configurado para receber um gás a partir de uma primeira linha de abastecimento de gás e para comprimir o gás; um sistema de combustão configurado para receber o gás a partir do compressor através de uma segunda linha de abastecimento de gás e para combustar o gás e um combustível; uma linha de desvio que tem uma extremidade conectada à primeira linha de abastecimento de gás e uma extremidade oposta conectada à segunda linha de abastecimento de gás para desviar uma porção de gás menor do que todo o gás a partir de uma dentre a primeira e a segunda linhas de abastecimento de gás para a outra primeira e segunda linhas de abastecimento de gás; e um sistema de controle configurado para controlar os parâmetros de abastecimento de gás com base em um valor de atraso de transporte, em que o valor de atraso de transporte corresponde a um atraso entre um momento em que um mecanismo de controle de abastecimento de gás é ajustado e um momento em que um ajuste correspondente de uma característica do gás é recebido em um ponto a jusante predeterminado do mecanismo de controle de abastecimento de gás.

2. CONJUNTO DE MOTOR A GÁS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o mecanismo de controle de abastecimento de gás é um misturador de gás/ar, e o gás é uma mistura de ar e um gás diferente de ar.

3 . CONJUNTO DE MOTOR A GÁS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o mecanismo de controle de abastecimento de gás é uma válvula de dosagem de gás configurada para ajustar uma porção de uma gás diferente de ar fornecida para a primeira linha de abastecimento de gás.

4. CONJUNTO DE MOTOR A GÁS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a linha de desvio é configurada para transmitir a porção do gás a jusante com base no conjunto do motor a gás que é operado como um turbocarregador.

5. CONJUNTO DE MOTOR A GÁS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle é configurado para calcular o valor de atraso de transporte ao determinar uma concentração do gás ao longo de, pelo menos, da segunda linha de abastecimento de gás ao longo do tempo.

6. CONJUNTO DE MOTOR A GÁS, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle é configurado para calcular a concentração do gás através da medição de uma pressão do gás.

7. CONJUNTO DE MOTOR A GÁS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: um primeiro sensor ao longo da primeira linha de abastecimento de combustível; e um segundo sensor ao longo da segunda linha de abastecimento de gás, em que o sistema de controle é configurado para calcular o valor de atraso de transporte com base na análise das medições do primeiro sensor e do segundo sensor ao longo do tempo.

8. CONJUNTO DE MOTOR A GÁS, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que analisar as medições do primeiro sensor e do segundo sensor ao longo do tempo inclui detectar uma primeira característica nas medições do primeiro sensor correspondente a um primeiro sinal de comando de abastecimento de gás, que detecta uma segunda característica nas medições do segundo sensor correspondente ao primeiro sinal de comando de abastecimento de gás e calcular o valor de atraso de transporte com base na diferença de tempo entre uma ocorrência da primeira característica e da segunda características.

9. CIRCUITO DE CONTROLE DE MOTOR A GÁS, caracterizado pelo fato de que compreende: um módulo de cálculo de atraso de transporte configurado para receber uma medição de, pelo menos, um sensor ao longo do trajeto de abastecimento de gás entre uma fonte de abastecimento de gás e um sistema de combustão, e para calcular um valor de atraso de transporte que corresponde a um atraso entre um momento que o mecanismo de controle abastecimento de gás é ajustado e um momento que o gás que tem um ajuste correspondente de uma característica de gás chega a um ponto a jusante predeterminado do mecanismo de controle de abastecimento de gás; e um módulo de controle de mecanismo de abastecimento de gás configurado para gerar um sinal de controle de abastecimento de gás para controlar o mecanismo de abastecimento de gás com base no valor de atraso de transporte.

10. CIRCUITO DE CONTROLE DE MOTOR A GÁS, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: um gerador de valor-alvo configurado para gerar um valor-alvo correspondente a um estado desejado de uma turbina a gás, em que o módulo do mecanismo de controle de abastecimento de gás gera o sinal de controle de abastecimento de gás para controlar o mecanismo de controle de abastecimento de gás com base no valor de atraso de transporte.

11. CIRCUITO DE CONTROLE DE MOTOR A GÁS, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: uma unidade de comparação configurada para comparar o valor-alvo com a medição de, pelo menos, um sensor e para gerar um valor de erro com base na diferença entre o valor-alvo e a medição, em que o módulo de controle de mecanismo de abastecimento de gás é configurado para gerar o sinal de controle de abastecimento de gás com base no valor de erro e no valor de atraso de transporte.

12. CIRCUITO DE CONTROLE DE MOTOR A GÁS, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o módulo do cálculo de atraso de transporte é configurado para receber, pelo menos, duas séries de medições ao longo do tempo de, pelo menos, dois sensores ao longo do trajeto de abastecimento de gás e para calcular o valor de atraso de transporte com base na análise de, pelo menos, duas séries de medições ao longo do tempo.

13. CIRCUITO DE CONTROLE DE MOTOR A GÁS, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o módulo de cálculo de atraso de transporte é configurado para detectar uma primeira característica em uma primeira série de medições a partir de um primeiro sensor dentre os pelo menos dois sensores, em que a primeira característica corresponde a um primeiro sinal de controle de abastecimento de gás, o módulo de cálculo de atraso de transporte é configurado para detectar uma segunda característica em uma segunda série de medições de um segundo sensor entre, pelo menos, dois sensores, a segunda característica que corresponde ao primeiro sinal de controle de abastecimento de gás, e o módulo de cálculo de atraso de transporte é configurado para calcular o valor de atraso de transporte com base na diferença de tempo entre uma ocorrência da primeira e da segunda característica.

14. CIRCUITO DE CONTROLE DE MOTOR A GÁS, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o módulo de cálculo do atraso de transporte é configurado para calcular um valor de atraso de transporte do trajeto de abastecimento de gás de uma turbina a gás que tem um compressor configurado para receber gás a partir de uma fonte de abastecimento de gás e para comprimir o gás, um sistema de combustão configurado para receber o gás a partir do compressor para combustar o gás e um combustível e uma linha de desvio que tem uma extremidade conectada ao longo do trajeto de abastecimento de gás entre a fonte de abastecimento de gás e o compressor e uma extremidade oposta conectada ao longo do trajeto de abastecimento de gás entre o compressor e o sistema de combustão, e o módulo de cálculo do atraso de transporte é configurado para calcular o valor do atraso de transporte ao levar em conta o desvio de uma parte do gás menos do que todo o gás através da linha de desvio.

15. MÉTODO DE CONTROLE DE OPERAÇÃO DE UM CONJUNTO DE MOTOR A GÁS, caracterizado pelo fato de que compreende: obter, pelo menos, uma série de medições de, pelo menos, um sensor ao longo de um trajeto de abastecimento de gás do conjunto do motor a gás, em que o trajeto de abastecimento de gás é configurado para abastecer gás a partir de uma fonte de abastecimento de gás para um sistema de combustão através de um compressor, em que o conjunto do motor a gás inclui uma linha de desvio que tem uma extremidade conectada ao longo do trajeto de abastecimento de gás entre a fonte de abastecimento de gás e o compressor e uma extremidade oposta conectada ao longo do trajeto de abastecimento de gás entre o compressor e o sistema de combustão; calcular o valor de atraso de transporte que corresponde a um atraso entre um momento em que o mecanismo de controle de abastecimento de gás é ajustado a um momento em que o gás, que inclui um ajuste correspondente de uma característica do gás, é recebido a um ponto predeterminado ao longo do trajeto de abastecimento de gás a jusante do mecanismo de controle de abastecimento de gás; e gerar um sinal de controle de abastecimento de gás para controlar o mecanismo de controle de abastecimento de gás com base no valor de atraso de transporte.

16. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que calcular o valor de atraso de transporte inclui aplicar a pelo menos uma série de medições a um algoritmo não linear que leva em conta o desvio de uma parte do fluxo de gás do trajeto de abastecimento de gás através da linha de desvio.

17. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o ponto predeterminado ao longo do trajeto de abastecimento de gás é uma tubagem de entrada do sistema de combustão.

18. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o valor de atraso de transporte é calculado com base na análise da pelo menos uma série de medições ao longo do tempo.

19. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um sensor inclui um primeiro sensor localizado a jusante do compressor e um segundo sensor localizado a montante do compressor.

20. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que calcular o valor de atraso de transporte compreende: detectar uma primeira característica em uma primeira série de medições de um primeiro sensor, em que a primeira característica corresponde a um primeiro sinal de controle de abastecimento de gás; detectar uma segunda característica em uma segunda série de medições de um segundo sensor, em que a segunda característica corresponde ao primeiro sinal de controle de abastecimento de gás; e calcular uma diferença no tempo entre uma ocorrência da primeira característica e da segunda característica.