CN101936221B - 燃气涡轮机的nox应允峰值 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃气涡轮机的NOX应允峰值。一种燃气涡轮机(100)包括多个目标排气温度确定模块(202，203，204)，该多个目标排气温度模块(202，203，204)包括构造成以便确定燃气涡轮机(100)的排气遵从NOx的最大容许水平时所处的排气温度的氮氧化物(NOx)应允性模块(201)；至少一个偏置模块(206，207)，该至少一个偏置模块(206，207)构造成以便对多个目标排气温度确定模块(202，203，204)中的至少一个的输出施加偏置；以及配置成以便操作燃气涡轮机(100)以产生由NOx应允性模块(201)确定的排气温度的控制器(101)。
Description
技术领域
本文公开的主题涉及用于燃气涡轮机的控制器。
背景技术
工业燃气涡轮机和动力发生燃气涡轮机可具有监测和控制涡轮机操作的控制系统，也称为控制器。这些控制器基于位于燃气涡轮机中和周围的各种位置处的信息和数据传感器来支配燃气涡轮机的燃烧系统。控制计划算法由控制器执行，以基于传感器数据来操作燃气涡轮机的燃烧系统。燃气涡轮机的燃烧系统大体对环境条件敏感，例如外部环境湿度或温度。特别地，湿度或温度的季节性变化可影响燃烧系统的操作。
燃气涡轮机可在操作期间产生环境污染物，例如氮氧化物(NOx)，其可作为涡轮排气的一部分被排出。由燃气涡轮机排出的NOx排放的水平可受环境条件的影响。例如，高的环境入口温度可使得NOx排放相对较低；高的环境湿度也可降低NOx排放。高的环境温度或高的环境湿度的时段可与高动力需求的时段相符合，在此期间，燃气涡轮机的燃烧系统可在峰值燃烧温度处操作，以符合高动力需求。但是，NOx排放水平可随着燃烧系统的燃烧温度升高而升高。来自燃气涡轮机的NOx的排放必须保持在授权水平以下，以便遵守排放法规。
发明内容
根据本发明的一方面，一种燃气涡轮机包括：多个目标排气温度确定模块，该多个目标排气温度模块包括构造成以便确定燃气涡轮机的排气遵从NOx的最大容许水平时所处的排气温度的氮氧化物(NOx) 应允性模块(compliance module)；至少一个偏置模块，该至少一个偏置模块构造成以便对多个目标排气温度确定模块中的至少一个的输出施加偏置；以及配置成以便操作燃气涡轮机以产生由NOx应允性模块确定的排气温度的控制器。
根据本发明的另一方面，一种用于控制燃气涡轮机的方法包括：确定条件是否适于峰值操作，且在确定了条件适于峰值操作的情况下：确定燃气涡轮机的氮氧化物(NOx)排放在最大容许水平以下时所处的燃气涡轮机的第一峰值排气温度；对第二确定的排气温度施加偏置；以及以第一确定的峰值排气温度操作燃气涡轮机。
根据结合附图得到的以下描述，这些和其它优点和特征将变得更加显而易见。
附图说明
说明书的结论部分处的权利要求书中特别指出和明确要求保护了被视为本发明的主题。根据结合附图得到的以下详细描述，本发明的前述和其它特征和优点显而易见，在附图中：
图1是具有控制器的燃气涡轮机的一个实施例。
图2是包括NOx应允峰值(compliant peak)的燃气涡轮机控制器的一个实施例。
图3是用于NOx应允峰值的方法的一个实施例。
图4是可结合包括NOx应允峰值的燃气涡轮机控制器的控制器的实施例一起使用的计算机的一个实施例。
参照附图，作为实例，详细描述阐明了本发明的实施例以及优点和特征。
部件列表
100 燃气涡轮机
101 控制器
102 入口管
103 入口导叶
104 压缩机
105 燃料控制模块
106 燃烧器
107 燃烧器
108 涡轮
109 排气管
110 发电机
111 传感器
112 传感器
113 传感器
114 传感器
200 燃气涡轮机控制器
201 NOX限制模块
202 CO限制模块
203 T燃烧目标模块
204 T燃烧限制模块
205 最大排气温度
206 偏置模块
207 偏置模块
208 最大选择模块
209 最小选择模块
210 目标排气温度
300 用于NOX应允峰值的方法
301 确定条件是否适当
302 确定峰值燃烧温度
303 施加偏置
304 操作涡轮机
400 计算机
410 处理器
420 存储器
430 源代码
440 编译器
450 操作系统
460 应用程序
470 输入/输出装置
具体实施方式
提供了用于燃气涡轮机的NOx应允峰值的系统和方法的实施例。当环境温度、湿度和动力需求条件确定为适当的时候，燃气涡轮机燃烧器可在峰值燃烧温度处操作，一直到NOx排放应允性的限值，从而产生高的能量产量，以满足高的需求水平。
图1示出了燃气涡轮机100的一个实施例。燃气涡轮机100包括压缩机104、燃烧器106和107、以驱动的方式联接到压缩机104上的涡轮108，以及控制器101。在燃气涡轮机100中仅为了说明的目的显示了两个燃烧器106和107；燃气涡轮机100的实施例可包括任何适当数量的燃烧器。入口管102通过入口导叶103将环境空气以及可能注入的水供给到压缩机104。入口管102可具有各自可助长流过入口102而进入压缩机104的入口导叶103中的环境空气的压力损失的导管、过滤器、筛网和吸声装置。排气管109将燃烧气体从涡轮108的出口引导通过具有例如排放控制和吸声装置的导管。排气管109对涡轮施加背压。背压的量可由于对排气管109添加构件，以及由于阻塞排气通道的灰尘和污垢而随时间变化。涡轮108可驱动产生电功率的发电机110。压缩机104的入口损失和涡轮108排气压力损失趋向于随通过燃气涡轮机100的经校正的流量而变化。因此，入口损失和 涡轮背压的量随通过燃气涡轮机100的流量而变化。
燃气涡轮机的操作可由传感器111-114监测。传感器111-114检测入口管102、排气管109、涡轮108、压缩机104处的条件和包围燃气涡轮机100的环境条件。例如，温度传感器可监测包围燃气涡轮机的环境温度、压缩机排放温度、涡轮排气温度，以及通过燃气涡轮机的气流的其它温度测量值。压力传感器可监测环境压力，以及压缩机入口与出口和涡轮排气处以及气流中的其它位置处的静态和动态压力水平。另外，湿度传感器(例如干湿球湿度计)可测量压缩机的入口管中的环境湿度。传感器111-114还可包括感测与燃气涡轮机100的操作有关的各种数据的流量传感器、速度传感器、火焰探测器传感器、阀位置传感器、导叶角传感器等。仅为了示例性目的显示了传感器111-114；可将任何适当数量或类型的传感器放置在燃气涡轮机100上的任何适当的位置处。
控制器101的实施例可使用传感器111-114所提供的信息通过燃料控制模块105来调节燃烧器106和107的操作，以产生在排气管109处具有目标温度的排气。基于包括但不限于一氧化碳(CO)和NOx的排放水平和燃气涡轮机100的物理构件的温度允差的考虑来确定目标排气温度。控制器101可在任何适当的硬件或软件中实施。燃料控制模块105调节从燃料供应(未显示)流到燃烧器106和107的燃料流率，从而确定燃烧器106和107的燃烧温度和排放的水平。在一些实施例中，该燃料控制模块可为单独的单元105，或者在其它实施例中可为控制器101的内部构件。
图2示出了包括NOx应允峰值的燃气涡轮机控制器200的一个实施例。模块201-204可使用来自传感器111-114的任何有关的数据，包括但不限于环境湿度、环境压力、压缩机压力比、具体的湿度、入口压力损失、排气背压或压缩机出口温度，以基于包括但不限于CO或NOx的排放水平或燃气涡轮机100的物理构件的温度允差的考虑来确定最大温度。在输入205处将燃气涡轮机100的最大额定排气温度 供应到最小选择器模块209。NOx限制模块201确定NOx的排放水平遵从法规水平时所处的最大排气温度，且将确定的NOx应允温度供应到最小选择器模块209。CO限制模块202确定CO的排放水平遵从法规水平时所处的最大排气温度。T燃烧目标模块203确定反映最优燃烧温度(燃气涡轮机100设计成以便以该温度来操作)的目标排气温度。将这些确定的温度中的各个供应到最大选择器模块208，最大选择器模块208将其两个输入的最大值供应到最小选择器模块209。T燃烧限制模块204还确定反映用于燃气涡轮机的最优燃烧的最大温度的目标排气温度(在一些实施例中，该目标排气温度可高于T燃烧目标排气温度)，且将确定的温度供应到最小选择器模块209。最小选择器模块209从最大操作温度205、NOx限制模块201、最大选择器模块208和T燃烧限制模块204中选择最小值，且在输出210处将该最小值作为整体的目标排气温度输出。然后控制器200调节燃烧器106和107的操作，以在排气管109处实现在输出210处给定的目标排气温度。
燃气涡轮机100的操作者可确定高的环境温度和湿度的条件存在于入口管102处，且如果为了满足高的动力需求水平而必须，则开启NOx应允峰值操作。或者，如果确定了条件是适当的，可自动开启NOx应允峰值模式。当NOx应允峰值模式开启时，启用用于T燃烧目标模块203的偏置模块206和用于T燃烧限制模块204的偏置模块207。偏置模块206和207提高T燃烧目标模块203和T燃烧限制模块204的输出，从而使得T燃烧目标模块203和T燃烧限制模块204的输出高于NOx限制模块201的输出，导致NOx限制模块201将控制输入供应到最小选择器模块209。这就允许燃气涡轮机100将动力输出提高到NOx应允性的限值。
如果存在相对高的环境湿度和温度的条件，则由NOx限制模块201确定的温度可高于最大排气温度205。在这种条件下，最大排气温度输入205可为最小选择器209的控制输入，且燃气涡轮机100将以最大排气温度205进行操作，这可导致NOx水平在应允性限值以下。
图3示出了用于NOx应允峰值的方法300的一个实施例。在框301中，确定条件是否适于NOx应允峰值操作。条件可包括高的环境湿度、高的环境温度和高的动力需求。可由燃气涡轮机的操作者进行确定，或者可自动进行确定。如果条件是适当的，就启用NOx应允峰值操作。在框302中，确定NOx排放水平在最大容许水平以下时所处的峰值燃烧温度。在框303中，对T燃烧目标温度和T燃烧限制温度施加偏置，从而提高T燃烧目标温度和T燃烧限制温度，使得它们高于框302中确定的峰值燃烧温度。在一些实施例中，可将T燃烧目标温度和T燃烧限制温度限定到燃气涡轮机的最大额定排气温度。在框304中，燃气涡轮机以框302中确定的峰值燃烧温度进行操作，从而将NOx排放限制到容许的水平，同时增大动力产量。
图4示出了计算机400的一个实例，该计算机400具有可由包括在软件中实施的NOx应允峰值的用于燃气涡轮机的控制器的示例性实施例利用的能力。以上论述的各种操作可利用计算机400的能力。计算机400的能力中的一个或多个可结合在本文论述的任何元件、模块、应用程序和/或构件中。
计算机400包括但不限于PC、工作站、笔记本电脑、PDA、掌上装置、服务器、储存器等。大体上，就硬件构架而言，计算机400可包括一个或多个处理器410、存储器420，以及通过本地接口(未显示)以通讯的方式联接的一个或多个输入和/或输出(I/O)装置470。本地接口可为例如但不限于一个或多个总线或其它有线或无线连接(如本领域中已知的)。本地接口可具有额外的元件，诸如控制器、缓存器(超高速缓冲存储器)、驱动器、转发器和接收器，以使得能够进行通讯。另外，本地接口可包括地址、控制和/或数据连接，以使得能够在上述构件之中进行适当的通讯。
处理器410是用于执行可储存在存储器420中的软件的硬件装置。处理器410实际上可为任何定做的或可商购获得的处理器、中央处理单元(CPU)、数据信号处理器(DSP)或在与计算机400相关联的若 干个处理器之中的辅助处理器，且处理器410可为基于半导体的微处理器(微芯片的形式)或宏处理器。
存储器420可包括易失性存储元件(例如随机存取存储器(RAM)，诸如动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)等)和非易失性存储元件(例如ROM、可擦可编程只读存储器(EROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、磁带、压缩盘只读存储器(CD-ROM)、磁盘、软磁盘、盒式磁带、磁带盒或者类似物等)中的任何一个或组合。此外，存储器420可结合电子、磁、光学和/或其它类型的储存介质。注意，存储器420可具有分布式构架，其中各种构件远离彼此而定位，但可由处理器410访问。
存储器420中的软件可包括一个或多个单独的程序，该一个或多个单独的程序中的各个包括用于实现逻辑功能的可执行指令的有序列表。根据示例性实施例，存储器420中的软件包括适当的操作系统(O/S)450、编译器440、源代码430和一个或多个应用程序460。如图所示，应用程序460包括用于实现示例性实施例的特征和操作的许多功能构件。根据示例性实施例，计算机400的应用程序460可表示各种应用程序、计算单元、逻辑、功能单元、过程、操作、虚拟实体和/或模块，但是应用程序460不意图进行限制。
操作系统450控制其它计算机程序的执行，且提供计划、输入-输出控制、文件和数据管理、存储器管理，以及通讯控制和有关服务。发明人构想到，用于实现示例性实施例的应用程序460可适用于所有可商购获得的操作系统上。
应用程序460可为源程序、可执行程序(目标代码)、脚本或包括待执行的一组指令的任何其它实体。当为源程序时，则通常通过可包括或可不包括在存储器420内的编译器(诸如编译器440)、汇编程序、解释器等来转换该程序，以便与O/S450共同恰当地操作。另外，可将应用程序460写为(a)具有数据类和方法类的面向对象的编程语言，或者(b)具有例程、子例程和/或功能的过程编程语言，例如但不限于C、 C++、C#、Pascal、BASIC、API调用、HTML、XHTML、XML、ASP脚本、FORTRAN、COBOL、Perl、Java、ADA、.NET等等。
I/O装置470可包括输入装置，诸如，例如但不限于鼠标、键盘、扫描仪、麦克风、摄像机等。另外，I/O装置470还可包括输出装置，例如但不限于打印机、显示器等。最后，I/O装置470可进一步包括使输入和输出两者通讯的装置，例如但不限于NIC或调制器/解调器(用于访问远程装置、其它文件、装置、系统或网络)、射频(RF)或其它收发器、电话接口、网桥、路由器等。I/O装置470还包括用于在诸如互联网或内联网的各种网络上通讯的构件。
如果计算机400是PC、工作站、智能装置等，则存储器420中的软件可进一步包括基本输入输出系统(BIOS)(为了简洁而被省略了)。BIOS是一组基本的软件例程，其在启动时初始化且测试硬件，启动O/S450，且支持数据在硬件装置之中的传递。BIOS储存在某种类型的只读存储器中，诸如ROM、PROM、EPROM、EEPROM等，使得可在计算机400启动时执行BIOS。
当计算机400在操作时，处理器410构造成以便执行储存在存储器420内的软件，以将数据传送到存储器420，以及将数据从存储器420中传送来，且依据软件来大体控制计算机400的操作。应用程序460和O/S450总体上或部分地由处理器410读取，也许缓存在处理器410内，且然后被执行。
当在软件中实现应用程序460时，应当注意，应用程序460实际上可储存在任何计算机可读介质上，以便于由任何计算机相关的系统或方法使用或者与其结合起来使用。在本文档的上下文中，计算机可读介质可为可包含或储存计算机程序以便于由计算机相关的系统或方法使用或者与其结合起来使用的电子、磁、光学或其它物理装置或器件。
应用程序460可在任何计算机可读介质中实施，以便于由指令执行系统、设备或装置(诸如基于计算机的系统、包含处理器的系统)， 或者可从指令执行系统、设备或装置中取出指令并执行该指令的其它系统来使用或者与它们结合起来使用。在本文档的上下文中，“计算机可读介质”可为可储存、传送、传播或输送程序以便于由指令执行系统、设备或装置使用或者与其结合起来使用的任何器件。计算机可读介质可为例如但不限于电子、磁、光学、电磁、红外或半导体系统、设备、装置或传播介质。
计算机可读介质的更具体的实例(非穷举性列举)可包括以下介质：具有一个或多个线材的电连接(电子的)、便携式计算机磁盘(磁的或光学的)、随机存取存储器(RAM)(电子的)、只读存储器(ROM)(电子的)、可擦可编程只读存储器(EPROM、EEPROM或闪存)(电子的)、光纤(光学的)、USB驱动器和便携式压缩盘存储器(CDROM、CDR/W)(光学的)。注意，计算机可读介质甚至可为程序印刷或打孔在其上的纸张或另外的合适的介质，因为可这样以电子的方式捕获程序：通过例如对纸张或其它介质进行光学扫描，然后编译、解释或如果需要的话以合适的方式以别的方式进行处理，然后储存在计算机存储器中。
在示例性实施例中，当在硬件中实施应用程序460时，可用各自在本领域中众所周知的以下技术中的任何一种或组合来实现应用程序460：具有用于根据数据信号来实现逻辑功能的逻辑门的离散的逻辑电路、具有适当的组合逻辑门的专用集成电路(ASIC)、可编程的门阵列(PGA)、现场可编程的门阵列(FPGA)等。
虽然已经结合仅有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当容易地理解，本发明不限于这种公开的实施例。相反，可修改本发明，以便结合此前未描述但与本发明的精神和范围相当的任何数量的变化、更改、替换或等效布置。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是将理解本发明的各方面可包括所描述的实施例中的仅一些。因此，本发明不应被视为受前述描述的限制，而是仅由所附的权利要求书的范围限制。
Claims (9)
1.一种燃气涡轮机(100)，包括：
多个目标排气温度确定模块(202，203，204)，所述多个目标排气温度确定模块包括构造成输出NOx排气温度的氮氧化物(NOx)应允性模块(201)，在所述NOx排气温度所述燃气涡轮机的排气符合NOx的最大应允水平；其中，所述多个目标排气温度确定模块进一步包括：
一氧化碳(CO)限制模块，所述CO限制模块构造成输出CO排气温度，在所述CO排气温度所述燃气涡轮机的排气符合CO的最大应允水平；
T燃烧目标模块，所述T燃烧目标模块构造成输出第一目标温度以用于所述燃气涡轮机的运行；以及
T燃烧限制模块，所述T燃烧限制模块构造成输出第二目标温度以用于所述燃气涡轮机的运行，其中所述第二目标温度高于所述第一目标温度；
最大选择模块，所述最大选择模块构造成接收来自所述CO限制模块的所述CO排气温度和来自所述T燃烧目标模块的所述第一目标温度，并输出所述CO排气温度和所述第一目标排气温度中的较高值；
最小选择模块，所述最小选择模块构造成接收所述最大选择模块的输出、来自所述NOx应允性模块的所述NOx排气温度、和来自所述T燃烧限制模块的所述第二目标温度，并输出所述最大选择模块的输出、所述NOx排气温度、和所述第二目标温度中的最低值；以及
控制器(101)，所述控制器配置成当所述NOx排气温度由所述最小选择模块输出时以NOx应允峰值模式操作所述燃气涡轮机(100)，以产生由所述NOx应允性模块(201)确定的所述NOx排气温度；以及
至少一个偏置模块(206，207)，所述至少一个偏置模块(206，207)构造成当所述燃气涡轮机应用所述NOx应允峰值模式时对所述多个目标排气温度确定模块中的至少一个的输出施加偏置。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮机(100)，其特征在于，所述至少一个偏置模块(206)对所述T燃烧目标模块(203)的输出施加偏置。
3.根据权利要求1所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述至少一个偏置模块对所述T燃烧限制模块(204)的输出施加偏置(207)。
4.根据权利要求1所述的燃气涡轮机(100)，其特征在于，所述至少一个偏置模块(206，207)将所述T燃烧目标模块和T燃烧限制模块中的一个的输出提高到高于由所述NOx应允性模块(201)确定的NOx排气温度的温度。
5.根据权利要求4所述的燃气涡轮机(100)，其特征在于，所述至少一个偏置模块(206，207)将所述T燃烧目标模块和T燃烧限制模块中的一个的输出提高到所述燃气涡轮机(100)的最大操作温度(205)。
6.根据权利要求1所述的燃气涡轮机(100)，其特征在于，响应于高的环境温度、高的环境湿度或高的动力需求来启用所述至少一个偏置模块(206，207)。
7.根据权利要求1所述的燃气涡轮机(100)，其特征在于，所述燃气涡轮机(100)进一步包括燃料控制模块(105)，该燃料控制模块(105)构造成以便调节流向所述燃气涡轮机(100)的燃烧器(106，107)的燃料的流动，使得所述燃烧器(106，107)产生处于由所述NOx应允性模块(201)确定的所述排气温度的排气。
8.一种用于控制燃气涡轮机(100)的方法(300)，所述方法包括：
确定条件是否适于峰值操作(301)，其中确定条件是否适于峰值操作的步骤包括确定所述燃气涡轮机的入口的环境温度高于环境温度限值、确定所述燃气涡轮机的入口的环境湿度高于环境湿度限值、及确定当前动力需求高于动力需求限值；且在确定了条件适于峰值操作的情况下：
确定用于所述燃气涡轮机(100)的第一峰值排气温度，在所述第一峰值所述燃气涡轮机的氮氧化物(NOx)排放低于最大容许水平(302)；
对第二确定的排气温度(303)施加偏置；以及
以所述第一确定的峰值排气温度(304)来操作所述燃气涡轮机(100)，其中所述峰值操作包括在所述第一确定的峰值排气温度操作所述燃气涡轮机；以及
如果没有确定条件适于峰值操作，在所述第二确定的排气温度操作所述燃气涡轮机。
9.根据权利要求8所述的方法(300)，其特征在于，确定条件是否适于峰值操作基于环境温度、环境湿度或动力需求。
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