CN102287241B - 受阻喷嘴检测和修复方法以及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及受阻喷嘴检测和修复方法以及系统。一种用于控制安装在串联地连接到压缩机上的第一涡轮和第二涡轮之间的粘连喷嘴系统的系统和方法。该方法包括确定喷嘴系统是否粘连；当喷嘴系统粘连时，指示第一涡轮增大最小速度基准；检验喷嘴系统是否仍旧粘连；当喷嘴系统粘连时，指示压缩机使入口放气热(IBH)流量从当前值增大到最大值；检验喷嘴系统是否仍旧粘连；以及当喷嘴系统粘连时，指示压缩机使入口导叶(IGV)角从当前值增大到最大值。

Description

受阻喷嘴检测和修复方法以及系统
技术领域
本文所公开的主题的实施例大体涉及方法和系统，并且更具体而言，涉及用于修复受阻喷嘴的机构和技术。
背景技术
涡轮机广泛地在油和气体行业中用于执行流体压缩、将流体/气体流的能量转换成电能、流体液化等。一种此类机器是图1中所示的燃气轮机2。现代燃气轮机包括压缩机4、燃烧室6，以及配置成以便从燃烧室6提供的热的微粒(particle)中提取动能的多个级8和10(例如，多个串联的膨胀器)，各个级会降低流动介质的微粒的速度。
图1中所示的燃气轮机2的两个级分别可包括高压涡轮和低压涡轮。各个级具有其本身的轮叶(未示出)和其本身的转子12和14。第一级8具有入口18和出口20。流动介质(例如，来自燃烧器6的排气)在传统上在入口18处被引入。流动介质在出口20处以更低的微粒速度输出。从流动介质中提取的能量被燃气轮机转换成转子12的旋转能，该能量可传递给压缩机4。期望在将排气排到环境中之前在出口20处从排气中进一步提取能量。因此，来自出口20的输出介质被提供作为第二级10的入口22处的输入。微粒速度在第二级10中进一步降低，并且微粒在出口24处输出。第二级10可连接到另一个级上或通过轴14连接到负载16上。
多种燃气轮机在第一级8和第二级10之间使用可变几何喷嘴系统26。喷嘴系统26包括多个喷嘴，该多个喷嘴配置成以便旋转，以便在高压涡轮8和低压涡轮10之间分割热函。
但是，喷嘴系统可出故障，即多个喷嘴中的一个或多个可粘连到喷嘴系统或燃气轮机的另一部分上，这会导致其它喷嘴不能旋转，并且因此导致不能控制输入介质的热函分割。
因此，提供避免前述问题和缺点的系统和方法将是合乎需要的。
发明内容
根据一个示例性实施例，存在一种用于控制安装在串联地连接到压缩机上的第一涡轮和第二涡轮之间的粘连喷嘴系统的方法。该方法包括：确定喷嘴系统是否粘连；当喷嘴系统粘连时，指示第一涡轮增大最小速度基准；检验喷嘴系统是否仍旧粘连；当喷嘴系统粘连时，指示压缩机使入口放气热(inlet bleed heat)(IBH)流量从当前值增大到最大值；检验喷嘴系统是否仍旧粘连；以及当喷嘴系统粘连时，指示压缩机使入口导叶(IGV)角从当前值增大到最大值。
根据另一个示例性实施例，存在一种配置成以便修复粘连喷嘴的系统。该系统包括配置成以便压缩介质的压缩机，该压缩机包括入口放气热(IBH)机构，其允许压缩介质的一部分回到压缩机的入口；以及入口导叶(IGV)机构，其配置成以便控制进入压缩机的入口的介质流。该系统还包括：燃烧器，其连接到压缩机上，并且配置成以便混合压缩介质与燃料，以在点燃之后产生排气；第一涡轮和第二涡轮，它们串联地连接到燃烧器上；喷嘴机构，其包括喷嘴，并且配置成以便调节第一涡轮和第二涡轮之间的热函分割；以及控制器，其连接到第一涡轮、IBH机构和IGV机构上，并且配置成以便增大第一涡轮的最小速度基准、IBH流量和IGV角，以使喷嘴机构不再粘连。
根据另外的另一个示例性实施例，存在一种包括计算机可执行指令的计算机可读介质，其中，在被执行时，指令实现一种用于控制安装在串联地连接到压缩机上的第一涡轮和第二涡轮之间的粘连喷嘴系统的方法。该方法类似于上面论述的方法。
根据其它示例性实施例，上面论述的方法可包括下述步骤：使IGV角从当前值逐步增大到最大值，或者在IGV角的逐步增大之间检测喷嘴系统是否仍然粘连，或者当喷嘴系统未粘连时，停止IGV角的逐步增大，或者当喷嘴系统未粘连时，使经增大的第一涡轮的速度、IBH角和IGV角的值返回到当前值。
附图说明
结合在说明书中且构成说明书的一部分的附图示出了一个或多个实施例，并且与描述一起对这些实施例进行阐述。在图中：
图1是传统燃气轮机的示意图；
图2是根据一个示例性实施例的燃气轮机的示意图；
图3是根据一个示例性实施例的喷嘴系统的示意图；
图4是根据一个示例性实施例的、用于重新获得对粘连喷嘴机构的控制的方法的流程图；
图5是显示了根据一个示例性实施例的喷嘴机构角-动力的曲线图；
图6是根据一个示例性实施例的、用于重新获得对粘连喷嘴机构的控制的方法的流程图；以及
图7是控制燃气轮机的控制器的示意图。
具体实施方式
示例性实施例的以下描述对附图进行了参照。不同的图中的相同参考标号标识相同或相似的元件。以下详细描述不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求书限制。为了简明起见，关于两级燃气轮机的术语和结构对以下实施例进行论述。但是，接下来要论述的实施例不限于这些系统，而是可应用于使用喷嘴系统来控制高压涡轮和低压涡轮之间的气体膨胀的其它燃气轮机。
贯穿该说明书对“一个实施例”或“一实施例”的参照表示结合实施例所描述的特定特征、结构或特性包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各处出现短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必指的是相同的实施例。另外，特定特征、结构或特性可按任何适当的方式结合在一个或多个实施例中。
根据一个示例性实施例，存在一种用于在喷嘴系统的喷嘴不移动时进行检测的方法，并且因此，该方法增大(在某一范围中)了燃气轮机的第一涡轮的最小速度基准。如果喷嘴仍然不响应于命令而打开或闭合，入口放气热(IBH)流量就增大而达到预定值，以迫使喷嘴移动。如果喷嘴仍然不响应命令，则入口导叶(IGV)角就增大而达到预定值。一旦重新获得对喷嘴的控制，涡轮的最小速度基准和IBH以及IGV角就减小到它们的初始值。
根据图2中示出的一个示例性实施例，燃气轮机30可包括第一级31和第二级32。为了简明起见，所论述的燃气轮机具有两个级。但是，本文所论述的新颖特征适用于具有不止两个级的燃气轮机。这些级有时被称为膨胀器。第一级31具有入口32和出口34。如以上所论述，在入口32处提供的流动介质膨胀，并且在出口34处从第一级释放，具有更低能量。因此，燃气轮机是从流动燃烧气体中提取能量的旋转式发动机。除了涡轮之外，燃气轮机包括压缩机和燃烧室。图2显示了使其输出连接到燃烧器48上的压缩机44。例如，来自压缩机44的压缩空气在燃烧器48中与线路50提供的燃料混合且被点燃。燃烧过的气体(排气)具有高的温度，且因此其储存有动能。热排气被提供至燃气轮机30的第一级31(涡轮)的入口32。与燃气轮机相对的轴向压缩机也可用作用于论述示例性实施例的实例。但是，为了简明起见，在该示例性实施例中仅对燃气轮机进行论述。
随着时间的过去，已经开发出多种机构来改进燃气轮机的效率和燃烧器减速容量。这种机构包括IBH机构、IGV机构等等。接下来会对这些机构进行简要论述。
在图2中示意性地示出了IBH机构。IBH机构36沿着路径38转移流过压缩机44的输出介质的一部分，并且沿着路径40将这部分重新引入压缩机44的入口52中。如果介质为空气，则转移的空气被称为放气。IBH机构36的一个目的是提高入口52处的介质的温度，因为沿着路径38流动的转移介质比入口52处的介质具有更高的温度。
燃气轮机使用的另一个机构是IGV。IGV机构42置于压缩机44的入口52处，并且配置成以便控制进入压缩机44的介质的量。IGV42包括配置成以便在某个范围中旋转以增大或减小入口52的打开面积的多个导叶。
图2还显示了置于第一涡轮31和第二涡轮32之间的喷嘴机构60。喷嘴机构60配置成以便控制第一涡轮31和第二涡轮32之间的热函分割的量。图3显示了喷嘴机构60的实例。喷嘴系统60可包括连接到旋转环63上的液压活塞61，旋转环63通过杠杆同时调节所有喷嘴65，以对来自第一级的气体提供可变面积的第二级喷嘴。逻辑机构62可附连到燃气轮机30上，或者可置于远处但连接到燃气轮机30的多种元件上，以控制例如喷嘴机构60。逻辑器(logic)62可配置成以便还控制针对第一涡轮31的最小速度基准、压缩机44和燃烧器48的多种参数。
现在关于图4对一种用于检测喷嘴系统(喷嘴导叶(NGV))的不恰当操作和/或修复此异常的方法进行论述。根据图4中示出的一个示例性实施例，检测和修正NGV故障。更具体而言，在步骤400中，测量NGV角的值。在步骤402中将测得值NGBfbk(反馈值)与设定值NGVset作比较。如果反馈值和设定值之间的差大于某个值达预定时间，就认为NGV系统60已经故障，即喷嘴被粘连。在一种应用中，对反馈值与设定值之间的差应用绝对函数ABS。因此，在一个示例性实施例中，粘连NGV的条件给定为ABS(NGVset-NGVfbk)＞2达大约60秒。
此方法可通过采取以下步骤中的一个或多个来修正NGV系统60的检测到的故障。当燃气轮机的逻辑器62检测到NGV系统已经故障时，基于以上提到的关系，逻辑器在步骤404指示燃气轮机增大第一涡轮31的最小速度TNH基准。逻辑器62可为处理器、专用电路、计算机软件或它们的组合。逻辑器62可为协调整个燃气轮机30的中央装置，或者可分布在压缩机、燃烧器、涡轮等处。逻辑器62可连接到存储器64(见图2)上，存储器64存储上述预定值和必要的计算机指令。
逻辑器62可连接到一个或多个传感器66(见图2)上，以检测NGV系统60是否已经故障。传感器66可配置成以便测量NGV系统60的喷嘴的旋转角。逻辑器62可连接到压缩机44上，以控制压缩机的速度、压缩机的进气等等，可连接到燃烧器48上，以控制来自压缩机的压缩介质与燃料之间的混合比以及燃烧器的其它特性，并且还可连接到涡轮31和33上，以执行其它功能。
逻辑器62可配置成以便使最小TNH基准增大到更高的值，其可在不同的机器之间有所不同。根据一个示例性实施例，最小TNH基准在开环中从当前值增大到更高的值。例如，如果当前最小TNH基准是名义值的94％，则此当前值可增大到名义值的98％。在步骤406中，逻辑器62通过重复步骤400和402来检验NGV系统机动性是否恢复。如果NGV系统的机动性已经恢复，该方法就不再进一步前进。但是，如果NGV系统仍然是粘连的，该方法就前进到步骤408，其中，IBH流量从当前值增大而达到最大值。
在一种应用中，最大值为总流量的7％。步骤408可按递增的方式执行，即IBH流量可增大到第一值，然后测量NGVfbk且如果NGV系统仍然是粘连的，IBH值就进一步增大到第二值等等，直到IBH流量增大到最大值为止。换句话说，这是一个闭环循环。
在步骤408之后以及在IBH流量的值为最大值之后，该方法前进到步骤410，以检查NGV系统的机动性是否已经恢复。如果情况不是这样，即NGV系统仍然是粘连的，该方法就前进到步骤412，其中，IGV角从当前值增大到最大值。在一种应用中，IGV角的最大值为75°度。如以上关于步骤408所论述的那样，步骤412可为闭环。
逻辑器62配置成以便按序列增大最小TNH基准、IBH流量和IGV角，并且还在NGV的机动性一恢复时就停止此序列。在一个示例性实施例中，遵从TNH、IBH和IGV增大的序列，并且不使用其它序列。
在图5中显示了NGV角(以度为单位)与燃气轮机所产生的动力的相关性。注意，当燃气轮机的动力输出增大时，NGV角最初减小，直到达到最小，然后NGV角再次增大。注意，图5的x轴线上的值是示例性的而不是要限制示例性实施例。取决于机器、负载和其它因素，其它数值可能是可用的。当NGV角减小时，其达到曲线72与粘连角阈值74的相交处的点70。对于特定的燃气轮机和运行状况来说，点70表征NGV系统已经故障的状况。因此，当燃气轮机的输出动力进一步增大时，NGV的角在曲线74上保持恒定。当检测到NGV系统粘连时，启动关于图4所描述的方法，并且遵从TNH、IBH和IGV序列。指示图4的方法的启动的点显示为图5中的曲线76上的点78。在某个时间，当NGV系统的机动性恢复时，NGV角的代表点返回到曲线72上。图4中示出的方法可在控制器62中以软件形式、电路形式或它们的组合来实施。在一种应用中，软件包可设计成包括计算机指令，当该计算机指令由控制器62的处理器执行时，其执行图4中显示的步骤中的一个或多个。该软件包可安装在现有的燃气轮机中，以修正粘连喷嘴。
根据一个或多个示例性实施例，具有如以上论述的那样配置的控制器的系统有利地改进对高压轴速度的控制，和/或降低由于粘连喷嘴造成的动力限制，和/或减少燃气轮机的性能损失，和/或改进燃烧器减速容量。
根据图6中示出的一个示例性实施例，存在一种用于控制安装在串联地连接到压缩机上的第一涡轮和第二涡轮之间的粘连喷嘴系统的方法。该方法包括确定喷嘴系统是否粘连的步骤600，在喷嘴系统粘连时指示第一涡轮增大最小速度基准的步骤602，检验喷嘴系统是否仍旧粘连的步骤604，在喷嘴系统粘连时指示压缩机使入口放气热(IBH)流量从当前值增大到最大值的步骤606，检验喷嘴系统是否仍旧粘连的步骤608，以及在喷嘴系统粘连时指示压缩机使入口导叶(IGV)角从当前值增大到最大值的步骤610。
所公开的示例性实施例提供了一种用于重新获得对燃气轮机或其它机器中的粘连喷嘴的控制的系统和方法。应当理解，本描述不意图限制本发明。相反，示例性实施例意图覆盖包括在所附权利要求书限定的本发明的精神和范围中的备选方案、修改和等效物。另外，在示例性实施例的详细描述中，对许多具体细节进行了阐述，以便提供对要求保护的本发明的全面理解。但是，本领域技术人员将理解，可在没有这种具体细节的情况下实践多种实施例。
为了说明而非限制的目的，代表性控制器(逻辑机构)的实例能够执行根据图7中示出的示例性实施例的操作。但是，应当认识到，本示例性实施例的原理可同等地应用于其它计算系统。
示例性控制器700可包括处理/控制单元702，例如微处理器、精简指令集计算机(RISC)，或其它中央处理模块。处理单元702不需要是单个装置，并且可包括一个或多个处理器。例如，处理单元702可包括主处理器和联接成与主处理器通信的相关联的从属处理器。备选地，处理单元702可具有图2中显示的结构。
处理单元702可控制可在存储装置/存储器704中获得的程序所规定的系统的基本功能。因此，处理单元702可执行图4和6中描述的功能。更具体而言，存储装置/存储器704可包括用于在控制器上执行功能和应用程序的操作系统和程序模块。例如，程序存储装置可包括只读存储器(ROM)、闪存式ROM、可编程和/或可擦除的ROM、随机存取存储器(RAM)、用户接口模块(SIM)、无线接口模块(WIM)、智能卡或其它可移除的存储器装置等等中的一个或多个。程序模块和相关联的特征还可通过数据信号传输到控制器700，例如通过网络(例如互联网)以电子的方式下载。
可存储在存储装置/存储器704中的程序之一是专用程序706。如之前所描述的那样，专用程序706可与多种传感器或燃气轮机的构件交互，以确定喷嘴机构是否粘连。程序706和相关联的特征可在可通过处理器702来操作的软件和/或固件中实施。存储装置/存储器704还可用来存储数据708，或与当前的示例性实施例相关联的其它数据。在一个示例性实施例中，程序706和数据708存储在非易失性的可电擦除可编程ROM(EEPROM)、闪存式ROM等中，使得信息在控制器700断电时不会丢失。
处理器702还可联接到用户接口710元件上。用户接口710可包括例如显示器712(例如液晶显示器)、键盘714、扬声器716和传声器718。这些和其它用户接口构件如本领域中已知的那样联接到处理器702上。键盘714可包括字母-数字键，以用于执行各种各样的功能，包括拨号和执行分配给一个或多个键的操作。备选地，可采用其它用户接口机构，例如语音命令、开关、触摸垫/屏、使用点击设备的图形用户接口、轨迹球、操纵杆或任何其它用户接口机构。
控制器700还可包括数字信号处理器(DSP)720。DSP720可执行各种各样的功能，包括模数(A/D)转换、数模(D/A)转换、语音编码/解码、加密/解密、错误检测和修正、比特(bit)流传输、过滤等等。大体联接到天线724上的收发器722可输送和接收与无线装置(例如传感器)相关联的无线电信号。
图7的控制器700作为其中可应用本示例性实施例的原理的计算环境的一个代表性实例来提供。根据本文提供的描述，本领域技术人员将理解，本发明可等同地应用于各种各样的其它目前已知和未来易变的和不变的计算环境中。例如，专用应用程序706和相关联的特征以及数据708可按各种各样的方式存储，可能能够在各种各样的处理装置上运行，以及可能能够在具有附加的、较少的或不同的支持电路和用户接口机构的电子装置中运行。
虽然在实施例中以特定的组合对本示例性实施例的特征和元件进行了描述，但是各个特征或元件可在没有实施例的其它特征和元件的情况下单独使用，或者在有或者没有本文公开的其它特征和元件的情况下以多种组合来使用。
本书面描述使用所公开的主题的实例来使得本领域任何技术人员能够实践本主题，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本主题的可授予专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。这种其它实例意图处于权利要求书的范围之内。

Claims (8)

1.一种用于控制安装在串联地连接到压缩机上的第一涡轮和第二涡轮之间的粘连喷嘴系统的方法，所述方法包括：
确定所述喷嘴系统是否粘连；
当所述喷嘴系统粘连时，指示所述第一涡轮增大最小速度基准；
检验所述喷嘴系统是否仍旧粘连；
当所述喷嘴系统粘连时，指示所述压缩机使入口放气热(IBH)流量从当前值增大到最大值；
检验所述喷嘴系统是否仍旧粘连；以及
当所述喷嘴系统粘连时，指示所述压缩机使入口导叶(IGV)角从当前值增大到最大值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
以此序列增大所述第一涡轮的所述最小速度基准、增大所述IBH流量以及增大所述IGV角。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
当所述喷嘴系统未粘连时，停止所述序列。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
使所述第一涡轮的所述最小速度基准从当前值增大到更高的值，而不检验是否已经重新获得了对所述喷嘴系统的控制。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
使所述IBH流量从所述当前值逐步增大到所述最大值；以及
在IBH角的逐步增大之间检测所述喷嘴系统是否仍然粘连。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
当所述喷嘴系统未粘连时，停止所述IBH角的逐步增大。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述最大值为通过所述压缩机的最大流量的7％。
8.一种配置成以便修复粘连喷嘴的系统，所述系统包括：
配置成以便压缩介质的压缩机，所述压缩机包括，
入口放气热(IBH)机构，其允许压缩介质的一部分回到所述压缩机的入口，以及
入口导叶(IGV)机构，其配置成以便控制进入所述压缩机的所述入口的介质流；
燃烧器，其流体地连接到所述压缩机上，并且配置成以便混合所述压缩介质与燃料，以在点燃之后产生排气；
第一涡轮和第二涡轮，它们串联地连接到所述燃烧器上；
喷嘴机构，其包括所述喷嘴，并且配置成以便调节所述第一涡轮和所述第二涡轮之间的热函分割；以及
控制器，其连接到所述第一涡轮、所述IBH机构和所述IGV机构上，并且配置成检测所述喷嘴机构是否出现粘连，且响应于检测到所述喷嘴机构粘连时增大所述第一涡轮的最小速度基准、IBH流量和IGV角，以使所述喷嘴机构不再粘连。
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