CN101858258A - 用于主动调谐阀的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明名称为“用于主动调谐阀的方法和系统”。本发明的一实施例具有利用基于模型的系统和实时数据来调整至少一个阀(65)的参数的技术效果。本发明的一实施例通过将基于模型的控制器与实时或近似实时数据集成来调整至少一个阀(65)的参数，以降低对燃料系统(55)内多个传感器的需求。本发明的一实施例可利用基于模型的控制器来实时或几乎实时地计算通过至少一个阀的燃料流量。

Description

用于主动调谐阀的方法和系统

技术领域

本发明主要涉及用于涡轮机阀的控制系统；更具体来说涉及用于主动调整涡轮机阀的位置的系统。

背景技术

涡轮机(例如但不限于，燃气轮机)一般具有用于监视和控制目的的控制系统(“控制器”)。这些控制器管控某个位置，例如，在例如但不限于燃气轮机的燃烧系统中使用的阀开口。为了将生成的排放的级别最小化，一些燃烧系统可以包括接收燃烧系统的操作模式和涡轮机的点火有关的数据的控制调度算法。这些算法然后可生成要求的阀位置。

一般，这些算法结合调度的燃料分流(fuel split)和校准曲线来确定流到燃烧室中的燃料喷嘴的燃料的量。算法将期望的燃料分流相关到燃料控制阀冲程(stroke)(其确定开口面积以及阀的燃料流量)。出于各种原因(校准、燃料阀中的变化等)，实际的燃料分流和调度的燃料分流不同。现场数据显出期望的燃料分流与实际的燃料分流之间的差可能是所关注的。

一些燃烧系统一般经由控制阀将多个歧管(每个歧管供应燃料)结合到燃烧仓(combustion can)上的指定喷嘴。使用歧管装置(例如但不限于，压力变换器、压力传送器或诸如此类)来监视每个歧管内的排放、压力或流量。歧管装置可提供对流经控制阀的燃料的量的精确测量。一些涡轮机控制器出于控制和处理的原因而采用三重冗余。三重冗余常常用于增加可靠性并满足涡轮机操作员的要求。为每个燃烧歧管提供三个歧管装置是成本昂贵的，并且增加涡轮机的维护和校准要求。

因此，存在对于直接控制控制阀的位置的具成本效率的方法的期望。该方法应该不要求每个歧管测量装置的三重冗余。还可能存在对于精确地确定燃烧系统的燃料流量的具成本效率的方法的期望。

发明内容

根据本发明的一实施例，一种调整装置的位置的方法，该方法包括：使用算法(90)来确定装置的位置的估计值，其中该算法从至少一个传感器接收输入，其中所述至少一个传感器测量装置的物理性质；基于请求的位置和装置的实际位置的值的比较来确定微调因子(105)；利用微调因子来调整估计的位置的值(120)；以及确定请求的位置和估计的位置的值是否在容许的范围内(95)。

附图说明

图1是根据本发明的一实施例的示意图，其示出与控制系统集成的涡轮机。

图2是示出燃料控制系统的常规算法的框图。

图3是根据本发明的一实施例的框图，其示出用于燃料控制器的基于模型的系统。

图4是根据本发明的一实施例的用于操作燃料系统的示范系统的框图。

具体实施方式

本文使用某个术语仅是为了方便，并且不应视为对本发明的限制。例如，诸如“上”、“下”、“左”、“前”、“右”、“水平的”、“垂直的”、“上游”、“下游”、“前部”和“后部”仅描述附图中所示的配置。实际上，组件可以在任何方向中定向，因此除非另外指出，否则该术语应理解为涵盖此类变化。当在本文中使用时，“参数”及类似术语是指能用于定义涡轮机的操作状况的项目，例如涡轮机中定义的位置处能用于表示操作状况的温度、压力和流量。

下文论述集中于与涡轮机集成的本发明的一实施例，例如但不限于燃气轮机。本发明的其他实施例可以与包括其操作员期望实时地或几乎实时地调整或调节的至少一个阀的其他系统集成。

本发明的一实施例具有利用基于模型的系统和实时数据来调整至少一个阀的参数的技术效果。本发明的一实施例可通过将基于模型的控制器与实时或近似实时数据集成来调整至少一个阀的参数，以降低对燃料系统内多个传感器的需求。本发明的一实施例可利用基于模型的控制器来实时或几乎实时地计算通过至少一个阀的燃料流量。

现在参考附图，其中各个数字表示遍布若干视图的相似元件。图1是根据本发明的一实施例的示意图，其示出与控制系统30集成的涡轮机10。图1示出涡轮机10，包括：压缩机部分15、燃烧室20、以驱动方式耦合到压缩机部分15的涡轮部分25和控制系统30。压缩机入口35将气流馈送到入口导流叶片(IGV)40以及压缩机部分15。IGV致动器(actuator)60可以从控制系统30接收命令以移动IGV 40来调整进入压缩机部分15的空气的量。涡轮部分25可以驱动负载45，例如但不限于产生电力的发电机。

用于检测涡轮机10、负载45和环境的各种状况的若干传感器50可以监视涡轮机10的操作。例如但不限于，温度传感器可监视压缩机排气温度(discharge temperature)、尾气温度(exhaust temperature)和通过涡轮机10的气流的其他温度测量。压力传感器可监视压缩机部分15的入口和出口处、尾气以及气流中的其他位置处的静态和动态压力级别。传感器50还可包括感测与涡轮机10的操作相关的各种参数的流量传感器、速度传感器、火焰检测器传感器、阀位置传感器、导流叶片角度传感器或诸如此类。

控制系统30可以是包括至少一个处理器的计算机系统，所述处理器执行程序以使用传感器输入和来自操作人员的指令来控制涡轮机10的操作。控制系统30执行的程序可包括用于调节到燃烧室20的燃料流量的调度算法。控制系统30生成的命令可使得涡轮机10上的燃料控制器55调整至少一个燃料阀65，其调节燃料的流量和类型。

控制系统30可部分地基于控制系统30的计算机存储器中存储的算法来调节涡轮机10。这些算法可以使得控制系统30能够将尾气中的NOx和CO排放维持到某个预定义的限制，并将燃烧室点火温度维持到预定义的温度限制内。燃烧室20可结合在干式低Nox(DLN)燃烧系统内。可以将控制系统30编程并修改成控制DLN燃烧系统。

具有DLN燃烧系统的涡轮机10要求精确的控制，以便排放在容许或优选的限制内；并确保涡轮机10在某些可操作性边界内操作，例如但不限于贫油熄火和燃烧动态性(combustion dynamics)。这些系统可能要求高度精确且校准的燃料阀65，例如但不限于气控制阀。

包括调度的燃料分流和将期望的燃料分流与燃料控制阀致动器冲程相关的校准曲线的算法可确定流到每个燃烧室20中的每组燃料喷嘴的燃料的量。出于各种原因(例如但不限于阀校准、阀尺寸的变化等)，实际的燃料分流和调度的燃料分流可能不同。常见的是，这些燃料阀65的校准要求现场维修工程师调整控制系统30中的设置以适应由于磨损和其他状况所导致的燃料阀65的操作中的改变。通常，当涡轮机10操作时，不能重新校准燃料阀65。

常规闭环系统采用传感器来测量每个燃料阀65的位置并提供控制算法使用的反馈数据。与燃料阀65关联的感测设备相关的费用、延迟、可靠性、维护和校准问题造成关于闭环方法的独特问题。例如但不限于，有关燃料阀65的位置的不精确读数可能导致涡轮机10生成不符合规范的排放。

图2是示出燃料控制器55的常规算法的框图。图2可以视为高级别的系统示意图，其示出可如何将燃料控制器55的常规算法与燃烧室20集成。涡轮机10的燃烧系统的一实施例可结合多个歧管70。歧管70从燃料阀65接收燃料，然后将燃料分发到涡轮机10的每个燃烧室20上的喷嘴。如图2中所示，一些燃烧系统包括多个歧管70。此处，每个歧管70可对应于特定的燃料阀65。包括算法框80、85、90和95的系列的程序可控制对应于特定歧管70的特定燃料阀65的操作。例如但不限于，在一些DLN燃烧系统中，包括四个图示的歧管70，如图2中所示。此处，每个歧管70与单独的燃料阀65集成；图2中仅示出其中之一。

一些控制系统30要求有关歧管70内的压力的数据。歧管装置75(也示出为GNx)通常用于提供此数据，此数据对于燃料调度、燃烧分流(combustion split)等可能是重要的。歧管装置75可以采取压力传送器、压力变换器或可测量歧管70内的压力的任何其他装置的形式。压力数据可能是重要的，其对于每个歧管70都要求三重冗余歧管装置75，如图所示。

下面是常规算法的一实施例可如何控制燃料阀65的操作的示例。将传感器和替代(surrogate)提供到框80、85、90和95以定义阀位置请求。一般，传感器信号可提供有关传感器50直接监视的涡轮机10的参数的数据。例如但不限于，温度和压力传感器可直接测量对于涡轮机10的入口处、压缩机部分15的各阶处和尾气处的温度和压力。相似地，速度传感器可测量涡轮机10的旋转速度，而流量传感器可测量进入燃烧室20的燃料流量。替代是非直接感测的涡轮机10的参数，而是基于根据有关其他操作状况的传感器数据的相关性和算法来确定的参数。

框80表示可确定请求的阀位置(PM1_req)的阀位置算法。框80接收有关点火温度(TTRF)和燃烧模式(模式X)的数据。基于TTRF和模式X，框80可随后利用其他数据集的图表来确定燃料阀65的期望位置。接下来，表示期望阀面积算法的框85可确定实现期望的阀位置所必需的燃料阀65的所要求的开口。框85可接收PM1_req和有关燃料阀65的尺寸的数据(Calc Ae)。框85然后可利用其他数据集的图表来确定实现燃料阀65的期望位置所要求的冲程(PM1strk_req)。接下来，可以将PM1strk_req数据发送到燃料阀65的控制器。框95可提供有关燃料阀65的实际位置的反馈。此处，连接到燃料阀65的位置装置(例如但不限于线性变量差分变换器(LVDT))可以提供位置反馈数据(PM1strk_act)。框95和燃料阀65的控制器可将PM1strk_req与PM1strk_act数据比较，然后在要求时生成误差信号以调整燃料阀65的位置。

如果可以使涡轮机10消除对来自歧管装置75的传感器信号中的三重冗余的要求，并且仅采用单个歧管装置75，则可以避免显著的产品成本并降低维护要求。但是，在前述常规算法或诸如此类中采用单个歧管装置75，可能将显著的可靠性负担置于该歧管装置75之上。

图3是根据本发明的一实施例的框图，其示出用于燃料控制器55的基于模型的算法。图3可以视为高级别的系统示意图，其示出可如何将燃料控制器55的基于模型的算法与燃烧室20集成。如上所述，涡轮机10的燃烧系统的一实施例可结合多个歧管70。歧管70从燃料阀65接收燃料，然后将燃料分发到涡轮机10的每个燃烧室20上的喷嘴。每个歧管70可对应于特定的燃料阀65。例如但不限于，在一些燃烧系统中，将四个图示的歧管70的每一个与特定燃料阀65集成；图3中仅示出其中之一。

如图所示，图3将燃料系统模型100、微调算法105和燃料流量算法110添加到图2中论述的常规算法。图3还示出本发明的燃料控制器55的一实施例对于DLN燃料系统的每个歧管70可仅要求单个歧管装置75。

燃料系统模型100的一实施例可实时地确定燃料阀65的实际位置的估计。燃料系统模型100可以视为自适应实时引擎，其包括涡轮机10的操作的仿真。燃料系统模型100可允许实时地调谐每个燃料阀65以与期望的燃料调度匹配。这可以通过对燃料阀65的校准曲线进行自适应校正以允许燃料分流和调度的闭环控制。

燃料系统模型100的益处之一是，不要求前述的LVDT或测量燃料阀65的位置的其他物理装置。相反，燃料系统模型100利用有关如下的数据：a)歧管70内的压力；b)有关室压力、燃料性质、周围状况、点火温度的数据以及其他数据来估计燃料阀65的位置。燃料系统模型100可以显著降低确定燃料阀65的位置的装置的不精确校准的影响。

可以使用微调算法105以基于燃料系统模型100数据来调整或调谐燃料分流。微调算法的一实施例可确定喷嘴区域中期望的阀位置与实际阀位置之间的差。微调算法105可用作数学引擎，例如但不限于比例加积分(P+I)补偿算法，其输出用于喷嘴区域中的改变的微调阀(ΔAe)。P+I单元可接收误差信号，误差信号可以是PM1_req与PM1_act之间的差，如前所述。如图3中所示，燃料系统模型100可生成PM1_act，并且阀位置算法框80可生成PM1_req。

燃料流量算法110一般用于基于歧管压力来计算燃料流量(∑Wi)。这可通过提供与燃料阀65的校准无关的燃料流量值来证明是有益的。燃料流量算法110可接收有关校正的Ae的数据，其结合来自燃料系统模型100与微调算法105的数据。而且，∑Wi的值可以与燃料加热无关，使用确定∑Wi的其他方法其可能发生。例如但不限于，一些方法经由安装在燃烧室20的端盖(end cover)上的孔来测量∑wi。此处，流经孔的燃料由于从燃烧室20的组件到燃料的传导性传热而经历温度上升。此传热可导致燃料流量的不精确值。燃料流量算法110所采用的方法不利用孔。所测量的燃料可经历少得多的温度上升。因此，该燃料流量算法可以提供∑Wi的更精确测量。

下面是本发明的一实施例可如何控制燃料阀65的操作的非限制示例，但是不限于此。将传感器和替代提供到一系列算法80、85、90、95、100、105和110以定义阀位置请求。框80、85和90的功能和操作可以与图2中所述的相似。

框80表示可确定期望的阀位置(PM1_req)的算法。框80接收有关点火温度(TTRF)和燃烧模式(模式X)的数据。基于TTRF和模式X，框80可然后利用其他数据集的图表来确定燃料阀65的期望位置。接下来，表示期望的阀面积算法的框85可确定实现期望阀位置(PM1_req)所必需的燃料阀65的所要求的开口。然后可以将用于PM1_req的确定值发送到框85以及第一求和点115。

框85可接收PM1_req数据并包括存储器，其可在其中存储有燃料阀65的尺寸。框85然后可以利用图表或其他数据集来确定实现PM1_req所需的要求的阀面积(Calc Ae)。

框90(前述的阀冲程请求算法)然后可接收有关Calc Ae的数据。框90可以利用至少一个曲线或其他数据来确定实现PM1_req所需的要求的冲程(PM1strk_req)。此处，所述至少一个曲线或其他数据可包括存储的阀校准数据。

接下来，在本发明的一实施例中，框95可接收PM1strk_req数据。此处，框95可以服务于几个目的。框95可以将PM1strk_req传递到燃料阀65。框95还可以利用至少一个曲线或其他数据来确定燃料阀65的实际面积。此数据可以在本发明的一实施例的闭环特征中使用，并且可提供有关燃料阀65的实际位置的反馈。

PM1strk_req数据可以视为确定燃料分流的命令，其可导致燃料阀65的致动器的移动。在PM1strk_req导致燃料阀65的位置的调整之后，可考虑燃料分流；歧管装置75可测量歧管70内的压力量中的差。正如所论述的，本发明的一实施例可以用单个歧管装置75、重要且成本节省的特征来运转。然后可将歧管压力数据发送到燃料系统模型100，燃料系统模型100可确定和/或确认燃料阀65的实际位置(PM1_act)。

接下来，第一求和点115可以将有关期望的燃料分流的数据与实际燃料分流比较。这可采取联系于请求的阀位置(PM1_req)和阀位置(PM1_act)的形式的比较。表示PM1_act与PM1_req之间差的误差信号可发送到微调算法105。可以重复此过程，直到期望的燃料分流近似等于实际燃料分流为止。

接下来，第二求和点120可从实际Ae减去或微调ΔAe，从而形成校正的Ae。校正的Ae可以视为燃料阀65实现PM1_req值可能需要的喷嘴面积中改变的要求量。

接下来，可随后将校正的Ae值传递到框90。此处，可以调整校准曲线或其他数据集来形成新的PM1strk_req，从而导致如所述的对燃料阀65的冲程的调整。还可以将校正的Ae值传递到燃料流量算法110，其可以如所述地确定总燃料流量∑Wi的更新阀。

如所述的，本发明的一实施例可以为用户提供多个益处。本发明的一实施例可以自动地补偿校准过程和控制阀硬件中的变化。本发明的一实施例可以免除歧管装置75的冗余。本发明的一实施例可提供一种与燃料加热无关的用于确定总燃料流量的方法。

图4是根据本发明的一实施例的用于操作燃料系统的示范系统400的框图。图3的元件可包含在系统400中并由其执行。系统400可包括一个或多个用户或客户端通信装置402或类似的系统或装置(图4中示出两个)。每个通信装置402可以是例如但不限于计算机系统、个人数字助理、蜂窝电话或能够发送和接收电子消息的类似装置。

通信装置402可包括系统存储器404或本地文件系统。系统存储器404可包括例如但不限于只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。ROM可包括基本输入/输出系统(BIOS)。BIOS可包含帮助在通信装置402的元件或组件之间传输信息的基本例程。系统存储器404可包含操作系统406以控制通信装置402的整体操作。系统存储器402还可包括浏览器408或web浏览器。系统存储器404还可包括用于操作可与图3中的系统相似或包括其元件的基于模型的燃料系统的计算机可执行代码或数据结构410。

系统存储器404可进一步包括模板高速缓存存储器412，其可以结合图3来使用以用于操作基于模型的燃料系统。

通信装置402还可包括处理器或处理单元414以控制通信装置402的其他组件的操作。操作系统406、浏览器408、数据结构410在处理器814上可以是可操作的。处理器414可通过系统总线416耦合到存储器系统404和通信装置402的其他组件。

通信装置402还可包括多个输入装置、输出装置或组合输入/输出装置418。每个输入/输出装置418可通过输入/输出接口耦合到系统总线416(图4中未示出)。输入和输出装置或组合I/O装置418允许用户操作通信装置402并与通信装置402接口以及控制数据结构410和浏览器408的操作以访问、操作和控制用于操作基于模型的燃料系统的软件。I/O装置418可包括键盘和计算机定点装置或诸如此类以执行本文论述的操作。

I/O装置418还可包括磁盘驱动器、光、机械、磁或红外线输入/输出装置、调制解调器或诸如此类。I/O装置418可用于访问媒体420。媒体420可包含、存储、传递或传输计算机可读或计算机可执行指令或用于由系统(例如通信装置402)使用的或与之结合使用的其他信息。

通信装置402还可包括其他装置(例如显示器或监视器422)或与之连接。监视器422可用于允许用户与通信装置402接口。

通信装置402还可包括硬盘驱动器424。硬盘驱动器424可通过硬驱动器接口(图4中未示出)耦合到系统总线416。硬盘驱动器424还可形成系统存储器404或本地文件系统的部分。可在系统存储器404和硬盘驱动器424之间传输和交换程序、软件和数据以用于通信装置402的操作。

通信装置402可经由网络428与远程服务器426通信，并且可经由网络428访问其他服务器或与通信装置402类似的其他通信装置。系统总线416可通过网络接口430耦合到网络428。网络接口430可以是用于耦合到网络428的调制解调器、以太网卡、路由器、网关或诸如此类。耦合可以是有线连接或无线的。网络428可以是因特网、专用网络、内联网或诸如此类。

服务器426还可包括系统存储器432，系统存储器432可包括文件系统、ROM、RAM和诸如此类。系统存储器432可包括与通信装置402中的操作系统406类似的操作系统434。系统存储器432还可包括用于操作基于模型的燃料系统的数据结构436。数据结构436根据本发明的一实施例可包括与结合图3描述的那些操作类似的操作。服务器系统存储器432还可包括其他文件438、应用、模块和诸如此类。

服务器426还可包括处理器442或处理单元以控制服务器426中的其他装置的操作。服务器426还可包括I/O装置444。I/O装置444可类似于通信装置402的I/O装置418。服务器426可进一步包括其他装置446(例如监视器或诸如此类)以与I/O装置444一起提供到服务器426的接口。服务器426还可包括硬盘驱动器448。系统总线450可连接服务器426的不同组件。网络接口452可经由系统总线450将服务器426耦合到网络428。

附图中的流程图和步骤示意图示出根据本发明的各个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能性和操作。在此方面中，流程图或步骤示意图中的每个步骤可表示代码的部分或段、模块，其包括用于实现指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应该注意，在一些备选实现中，步骤中提到的功能可以不按附图中提到的次序来进行。例如，连续示出的两个步骤实际上可基本同时执行或这些步骤有时可以相反次序来执行，这取决于所涉及的功能性。还将注意，框图和/或流程图图示的每个步骤和框图和/或流程图图示中步骤的组合可由基于专用硬件的系统来实现，这些系统执行指定的功能或动作或专用硬件和计算机指令的组合。

本文使用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，并非旨在作为本发明的限制。当在本文中使用时，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该”旨在也包含复数形式，除非上下文另行明确指出。还将理解，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时指定陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件或它们的组的存在或添加。

虽然本发明已相对其仅仅几个示范实施例来相当详细地描述并示出，但是本领域技术人员应该理解，并非旨在将本发明限于这些实施例，因为在不实质性地背离本发明的创新教导和优点的前提下(尤其是根据前述的教导)可以对所公开的实施例进行各种修改、省略和添加。因此，旨在涵盖如可包含在所附权利要求定义的本发明精神和范围内的所有此类修改、省略、添加和等效物。

部件列表

10    涡轮机

15    压缩机部分

20    燃烧室

25    涡轮部分

30    控制系统

35    压缩机入口

40    入口导流叶片(IGV)

45    负载

50    传感器

55    燃料控制器

60    IGV致动器

65    燃料阀

70    歧管

75    歧管装置

80    阀位置算法

85    期望的阀面积算法

90    阀冲程请求算法

95    实际的阀面积算法

100   燃料系统模型

105   微调算法

110   燃料流量算法

115   第一求和点

120   第二求和点。

Claims (10)

1.一种调整装置的位置的方法(300)，所述方法(300)包括：

a.使用算法(90)来确定装置的位置的估计值，其中所述算法从至少一个传感器接收输入，其中所述至少一个传感器测量所述装置的物理性质；

b.基于请求的位置和所述装置的实际位置的值的比较来确定微调因子(105)；

c.利用所述微调因子来调整所估计的位置的值(120)；以及

d.确定所述请求的位置和所估计的位置的值是否在容许的范围内(95)。

2.如权利要求1所述的方法(300)，其中所述装置包括至少一个控制阀(65)。

3.如权利要求2所述的方法(300)，其中所述至少一个传感器包括测量歧管(70)的物理性质的歧管装置(75)，其中所述歧管(70)将燃料提供到所述至少一个控制阀(65)。

4.如权利要求3所述的方法(300)，其中所述算法包括燃料系统模型(100)，所述燃料系统模型(100)利用来自所述至少一个传感器的输入来确定所述至少一个控制阀(65)的当前位置。

5.如权利要求1所述的方法(300)，其中所述算法利用有关燃烧点火温度和燃烧操作模式的数据来确定所述请求的位置(80)。

6.如权利要求4所述的方法(300)，其中基于请求的位置和所估计的位置的值的比较来确定微调因子的步骤(105)包括微调算法，其中所述微调算法确定所述请求的位置和所估计的位置的值(65)之间的差(120)。

7.如权利要求6所述的方法(300)，其中所述微调算法确定喷嘴面积差(105)。

8.如权利要求7所述的方法(300)，其中所述算法结合来自所述微调算法(105)的数据以确定燃料流量。

9.如权利要求7所述的方法(300)，还包括：利用有关所述喷嘴面积差的数据来生成命令以调整所述至少一个控制阀(65、90、95)的位置。

10.如权利要求8所述的方法(300)，还包括：将所述命令(65)应用到操作所述至少一个控制阀(65)的系统的步骤。

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