CN102322355A - 用于燃气涡轮机的基于模型的协调空气-燃料控制 - Google Patents

用于燃气涡轮机的基于模型的协调空气-燃料控制 Download PDF

Info

Publication number
CN102322355A
CN102322355A CN2011101303629A CN201110130362A CN102322355A CN 102322355 A CN102322355 A CN 102322355A CN 2011101303629 A CN2011101303629 A CN 2011101303629A CN 201110130362 A CN201110130362 A CN 201110130362A CN 102322355 A CN102322355 A CN 102322355A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel
signal
control
combustion air
actuator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2011101303629A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102322355B (zh
Inventor
M·J·莫斯利
C·E·龙
D·S·尤恩斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
Publication of CN102322355A publication Critical patent/CN102322355A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102322355B publication Critical patent/CN102322355B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/48—Control of fuel supply conjointly with another control of the plant
    • F02C9/50—Control of fuel supply conjointly with another control of the plant with control of working fluid flow
    • F02C9/54—Control of fuel supply conjointly with another control of the plant with control of working fluid flow by throttling the working fluid, by adjusting vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/48—Control of fuel supply conjointly with another control of the plant
    • F02C9/50—Control of fuel supply conjointly with another control of the plant with control of working fluid flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/01—Purpose of the control system
    • F05D2270/10—Purpose of the control system to cope with, or avoid, compressor flow instabilities
    • F05D2270/101—Compressor surge or stall
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05D2270/303—Temperature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05D2270/304—Spool rotational speed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/70—Type of control algorithm
    • F05D2270/705—Type of control algorithm proportional-integral
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/70—Type of control algorithm
    • F05D2270/706—Type of control algorithm proportional-integral-differential
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/70—Type of control algorithm
    • F05D2270/71—Type of control algorithm synthesized, i.e. parameter computed by a mathematical model

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)
  • Regulation And Control Of Combustion (AREA)

Abstract

本发明涉及用于燃气涡轮机的基于模型的协调空气-燃料控制，具体而言，协调空气-燃料控制器及相关方法提供了燃料控制器、燃烧空气控制器和稳态空气对燃料模型。燃料控制器生成燃料控制输出信号而燃烧空气控制器生成燃烧空气控制输出信号。燃料控制器基于第一回路控制信号和第二回路控制信号的至少其中一个确定初步燃料控制信号，并基于该初步燃料控制信号确定燃料控制输出信号。该稳态空气对燃料模型处理初步燃料控制信号以确定期望的稳态燃烧空气控制信号。燃烧空气控制器基于第三回路控制信号和第四回路控制信号的至少其中一个确定初步燃烧空气控制信号，并基于初步燃烧空气控制信号和期望的稳态燃烧空气控制信号确定燃烧空气控制输出信号。

Description

用于燃气涡轮机的基于模型的协调空气-燃料控制
技术领域
本发明涉及用于燃气涡轮机的控制系统，并且特别涉及具有燃料控制器和燃烧空气控制器两者的控制系统。
背景技术
燃气涡轮机通常联接到发电机上以驱动该发电机。已知使用交叉通道控制器(cross channel controller)来控制供应给燃气涡轮机的燃烧室的燃料和空气的量。已知的交叉通道控制器对涡轮机速度误差信号起作用，该信号是对于燃料供应控制器的输入。此类交叉通道控制器处理速度误差信号，并且得到的处理后的速度误差信号被添加到涡轮机排放温度误差信号上。涡轮机排放温度误差信号和处理后的速度误差信号的和由空气供应控制器使用转换函数处理，以产生控制供应给燃烧室的空气的控制信号。例如见美国专利第5,487,265(1996年1月30日)和5,636,507(1997年6月10日)。
发明内容
根据一方面，本发明提供了用于燃气涡轮机的控制系统。该控制系统包括燃料控制致动器和燃烧空气控制致动器。协调空气-燃料控制器(CAF)控制燃料控制致动器和燃烧空气控制致动器的操作。协调空气-燃料控制器接收多个燃气涡轮机状态输入信号，并基于输入信号确定第一误差信号、第二误差信号、第三误差信号和第四误差信号。协调空气-燃料控制器包括燃料控制器、燃烧空气控制器和稳态空气对燃料模型。该燃料控制器给燃料控制致动器提供燃料控制输出信号以控制燃料控制致动器的操作。该燃料控制器使用第一转换函数处理第一误差信号以获得第一回路控制信号，并使用第二转换函数处理第二误差信号以获得第二回路控制信号。燃料控制器基于第一回路控制信号和第二回路控制信号的至少其中一个确定初步燃料控制信号，并基于该初步燃料控制信号确定燃料控制输出信号。燃烧空气控制器向燃烧空气控制致动器提供燃烧空气控制输出信号，以控制燃烧空气控制致动器的操作。稳态空气对燃料模型与燃料控制器通信，并处理初步燃料控制信号，以确定期望的稳态燃烧空气控制信号。该燃烧空气控制器使用第三转换函数处理第三误差信号以获得第三回路控制信号，并使用第四转换函数处理第四误差信号以获得第四回路控制信号。燃烧空气控制器基于第三回路控制信号和第四回路控制信号的至少其中一个确定初步燃烧空气控制信号，并基于该初步燃烧空气控制信号和期望的稳态燃烧空气控制信号确定燃烧空气控制输出信号。
根据另一方面，本发明提供一种控制燃气涡轮机中空气供应和燃料供应的方法。基于燃气涡轮机的第一状态生成第一误差信号。基于燃气涡轮机的第二状态生成第二误差信号。基于燃气涡轮机的第三状态生成第三误差信号。基于燃气涡轮机的第四状态生成第四误差信号。根据第一转换函数处理第一误差信号以获得第一回路控制信号。根据第二转换函数处理第二误差信号以获得第二回路控制信号。根据第三转换函数处理第三误差信号以获得第三回路控制信号。根据第四转换函数处理第四误差信号以获得第四回路控制信号。基于第一回路控制信号和第二回路控制信号的至少其中一个生成初步燃料控制信号。基于初步燃料控制信号生成燃料控制输出信号。燃料控制输出信号被提供给燃料控制致动器。燃料控制致动器基于燃料控制输出信号调整燃料流。提供了稳态空气对燃料模型。该稳态空气对燃料模型从初步燃料控制信号生成期望的稳态燃烧空气控制信号。基于第三回路控制信号和第四回路控制信号的至少其中一个生成初步燃烧空气控制信号。基于初步燃烧空气控制信号和期望的稳态燃烧空气控制信号生成燃烧空气控制输出信号。燃烧空气控制输出信号被提供给燃烧空气控制致动器。燃烧空气控制致动器基于燃烧空气控制输出信号调整燃烧空气的量。
附图说明
在参考附图阅读以下描述之后，本发明的前述及其他方面对于本发明所涉及的本领域技术人员将变得显而易见，其中：
图1是燃气涡轮机和用于该燃气涡轮机的控制系统的示意图；
图2是显示入口导向叶片位置对燃料行程基准值的曲线图；以及
图3是燃气涡轮机和用于该燃气涡轮机的控制系统的示意图。
具体实施方式
下文将参考附图更详尽地描述本发明的特征和方面，附图中显示了示例实施例。在任何可能的时候，贯穿附图用相同的参考标号来指代相同或相似的零部件。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且应该被解释为限于本文所陈述的实施例。提供了这些示例实施例以便此公开将既透彻又完整，并且将完全地向本领域技术人员传达本发明的范围。
以下讨论了各种信号。应该理解的是这些信号可为存储在存储单元(诸如寄存器)中的模拟信号、数字信号或数据值。以下讨论了各种电路和电路的部分。应该理解的是这些电路和电路的部分可通过离散电子器件、集成电路和/或通过由处理器进行的程序指令的执行而实施。
本发明的技术效果是对于用在重型燃气涡轮机控制中的协调空气-燃料(CAF)控制功能的改善。CAF功能在电网频率瞬变期间协调空气和燃料的控制，以防止诸如贫燃吹灭(lean blowout)、排放超温以及压缩机喘振。
对于已知燃气涡轮机协调空气-燃料控制器的一个挑战是到空气供应和燃料供应控制器的输入不必然协调它们的输出(分别是空气和燃料需求)。对此一个原因是涡轮机速度误差和涡轮机排放温度误差之间的关系不是直观的，使得难以设计和调节交叉通道控制器。另一个原因是燃料供应控制器内的限制可能使得涡轮机速度误差成为即将发生的燃料供应变化的糟糕指示物。
已知的交叉通道控制器在“控制误差空间”中操作，从而连接速度误差和排放温度误差。然而，速度误差和排放温度误差之间的正确关系是难以确定的。一种更好的方法是使交叉通道控制器在“需求空间”中操作，其在控制通道中位于作用在误差信号上的相应的控制转换函数之后。需求空间中的交叉通道控制器可以利用空气和燃料之间的直接关系，诸如稳态空气对燃料模型，以协调空气和燃料供应。空气和燃料之间的正确关系可以比误差信号之间的正确关系更易于确定。因此，具有位于需求空间中的交叉通道控制器的协调空气-燃料控制器可以比已知的交叉通道控制器更易于设计和调节。具有需求空间中的交叉通道控制器也使得能够反映燃料供应控制器内的约束。
图1是燃气涡轮机11和用于该燃气涡轮机的协调空气-燃料控制器13的示意图，该控制器包括在控制器13的需求空间部分中操作的交叉通道控制器。图1中的交叉通道控制器是稳态空气对燃料模型15。如以下将进一步描述的，稳态空气对燃料模型15提供了稳态状态下用于燃气涡轮机的燃料供应和燃烧空气供应之间的关系。
燃气涡轮机11具有用于感测与燃气涡轮机相关的各种状态的多个传感器17。示例传感器包括用于感测燃气涡轮机的旋转速度的速度传感器，用于感测燃气涡轮机的排放气体的温度的温度传感器，用于由燃气涡轮机驱动的发电机19所供应的功率的功率水平传感器，以及用于感测燃气涡轮机的压缩机压力的压力传感器。可按需要提供用于感测与燃气涡轮机相关的其它条件的另外的传感器。与燃气涡轮机相关的条件的估算也可取代直接传感器。传感器17提供反馈信号21作为到控制器13的输入。
现在将详细讨论协调空气-燃料控制器13。协调空气-燃料控制器13可包括子控制器，诸如交叉通道控制器(例如，稳态空气对燃料模型15)，燃料控制器23和燃烧空气控制器25。控制器13可为电子控制器并且可包括一个或多个处理器。例如，控制器13可包括一个或多个微处理器，微控制器，数字信号处理器(DSP)，专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列(FPGA)，离散逻辑电路等等。控制器13还可包括存储器并可存储导致控制器提供在本文中归于其的功能性的程序指令。存储器可包括一个或多个易失性、非易失性、磁、光、或电介质，诸如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、闪存等等。控制器13还可包括用于处理到该控制器的各种模拟输入的一个或多个模数(A/D)转换器。
控制器13包括误差计算器27a-27f。来自各传感器17的反馈信号21是到相应误差计算器27a-27f的输入，用于与相关基准值29a-29f进行比较。误差计算器27a-27f的输出是误差信号31a-31f，它们指示所感测的状态和基准值之间的差异。例如，所感测的燃气涡轮机的旋转速度可以与基准速度进行比较，以确定旋转速度误差信号，且燃气涡轮机的感测排放气体温度可以与基准温度进行比较，以确定排放温度误差信号。基准值29a-29f可为边界值或目标值。边界值建立如果可能不应越过的限制操作条件，例如最大温度或压力或最小速度。目标值建立期望的操作状态，例如期望速度。
在图1中，三个误差计算器27a-27c分别提供误差信号31a-31c作为到燃料控制器23的输入，且三个误差计算器27d-27f分别提供误差信号31d-31f作为到燃烧空气控制器25的输入。应该理解的是多于或少于三个误差计算器可以向燃料控制器23和燃烧空气控制器25提供误差信号，并且燃料控制器和燃烧空气控制器不需要具有相同数目的相关误差计算器。
误差信号31a-31c由燃料控制器23处理以便生成燃料控制输出信号33。该燃料控制器23给燃气涡轮机上的燃料控制致动器35提供燃料控制输出信号33以控制燃料控制致动器的操作。燃料控制致动器35响应于燃料控制输出信号33以控制提供给燃气涡轮机的燃烧室的燃料的量。燃料控制致动器35例如可基于来自燃料控制器23的燃料行程基准值(FSR)信号控制一个或多个燃料阀的燃料行程63。燃料控制器23通过控制燃料控制致动器35的操作控制提供给燃烧区域的燃料的量。
燃料控制器23使用相应的转换函数Ka(s)-Kc(s)处理误差信号31a-31c。转换函数Ka(s)-Kc(s)可各实施比例积分(PI)控制模式、比例积分微分(PID)控制模式或所期望的其他控制模式。
从转换函数Ka(s)-Kc(s)输出的回路燃料控制信号37a-37c被提供给燃料控制器23的选择逻辑39。经由选择逻辑39，燃料控制器23基于至少其中一个回路燃料控制信号37a-37c确定初步燃料控制信号41。选择逻辑39可提供用于选择其中一个回路燃料控制信号37a-37c作为初步燃料控制信号41的算法。在选择回路燃料控制信号作为初步燃料控制信号41时，该选择逻辑可给一个回路燃料控制信号高于另一个信号的优先权，或将信号进行比较以确定哪一个具有更大/更小的值。示例选择逻辑可为：max(min(37a，37b)，37c)。在此情况下，比较回路燃料控制信号37a和37b，两个信号(37a，37b)的较小值被进一步与信号37c进行比较，且较大的信号被选择为初步燃料控制信号41。此类算法在确立燃气涡轮机边界条件(诸如最大温度/压力，最小操作速度等)时会是有用的。选择逻辑39可基于边界条件的优先权比较回路燃料控制信号37a-37c，并选择回路燃料控制信号作为初步燃料控制信号41，使得燃气涡轮机在一些或全部边界条件内操作。如果需要的话，选择逻辑可以算术地组合(例如，增加、一起平均等)两个或更多回路燃料控制信号37a-37c，以获得初步燃料控制信号41。
燃料控制器23可以可选地包括致动器动态补偿器43。致动器动态补偿器43处理初步燃料控制信号41以补偿燃料控制致动器35和燃烧空气控制致动器45之间的响应特性差异。燃烧空气控制致动器45控制提供给燃气涡轮机11的燃烧室的空气的量。燃料控制致动器35和燃烧空气控制致动器45可具有不同的响应特性。例如，燃料控制致动器35可能够比燃烧空气控制致动器45可改变提供给燃烧室的空气的量更快地改变燃料的流率。在此情况下，致动器动态补偿器43可通过向初步燃料控制信号41增加延迟而延迟改变燃料控制输出信号33。致动器动态补偿器43是可选的，并且在没有致动器动态补偿器的实施例中，初步燃料控制信号41等于燃料控制输出信号33或与之完全相同。
转向燃烧空气控制器25，燃烧空气控制器生成燃烧空气控制输出信号47。燃烧空气控制器25向燃气涡轮机11上的燃烧空气控制致动器45提供燃烧空气控制输出信号47，以控制燃烧空气控制致动器的操作。燃烧空气控制致动器45响应于燃烧空气控制输出信号47以控制提供给燃气涡轮机11的燃烧室的空气的量。燃烧空气控制致动器45例如可以控制燃气涡轮机11的入口导叶65的位置(例如角度)。燃烧空气控制器25通过控制燃烧空气控制致动器45的操作控制提供给燃烧区域的空气的量。
燃烧空气控制器25使用相应的转换函数Kd(s)-Kf(s)处理误差信号31d-31f。和转换函数Ka(s)-Kc(s)类似，转换函数Kd(s)-Kf(s)可实施期望的控制模式，比方说例如PI或PID控制模式。回路燃烧空气控制信号37d-37f从转换函数Kd(s)-Kf(s)输出，且被提供给燃烧空气控制器25中的选择逻辑49。经由选择逻辑49，燃烧空气控制器25确定初步燃烧空气控制信号51。类似于燃料控制器23中的选择逻辑39，选择逻辑49可提供用于选择其中一个回路燃烧空气控制信号37d-37f作为初步燃烧空气控制信号51的算法。在选择回路燃烧空气控制信号作为初步燃烧空气控制信号51时，该选择逻辑可给一个回路燃烧空气控制信号高于另一个信号的优先权，或将信号进行比较以确定哪一个具有更大/更小的值。示例选择逻辑可为：max(min(37d，37e)，37f)。可基于与排放温度、压缩机压力比等相关的燃气涡轮机操作边界条件建立选择逻辑。选择逻辑49可基于边界条件的优先权比较回路燃烧空气控制信号37d-37f，并选择回路燃烧空气控制信号作为初步燃烧空气控制信号51，使得燃气涡轮机在一些或全部边界条件内操作。如果需要的话，选择逻辑可以算术地组合(例如，增加、一起平均等)两个或更多回路燃烧空气控制信号37d-37f，以获得初步燃烧空气控制信号51。
在协调空气-燃料控制器13的需求空间部分中操作的稳态空气对燃料模型15与燃料控制器23和燃烧空气控制器25二者通信。稳态空气对燃料模型15从燃料控制器23接收初步燃料控制信号41，并基于该初步燃料控制信号41计算期望稳态燃烧空气控制信号53。稳态空气对燃料模型15向燃烧空气控制器25提供期望的稳态燃烧空气控制信号53。尽管在图中未显示，但稳态空气对燃料模型15可包括对实际稳态状态的自动适应。换言之，该模型可自动调整以去除燃烧空气控制输出信号47和期望稳态燃烧空气控制信号之间的任何稳态差异。此适应改善了稳态空气对燃料模型15的精度。
燃烧空气控制器25从稳态空气对燃料模型15接收期望的稳态燃烧空气控制信号53。燃烧空气控制器25基于初步燃烧空气控制信号51和期望稳态燃烧空气控制信号53的一个或两者确定燃烧空气控制输出信号47。例如，燃烧空气控制器25可包括用于组合初步燃烧空气控制信号51和期望稳态燃烧空气控制信号53以确定燃烧空气控制输出信号47的求和电路55。初步燃烧空气控制信号51和期望稳态燃烧空气控制信号53可通过求和电路55加到一起，并且求和电路55的输出是燃烧空气控制输出信号47。可选地，如图1中所示，燃烧空气控制器25可包括致动器动态补偿器57，其处理来自求和电路55的输出，以补偿燃料控制致动器35和燃烧空气控制致动器45之间的响应特性差异。如果存在致动器动态补偿器57，则致动器动态补偿器57的输出为燃烧空气控制输出信号47，而并非直接是求和电路55的输出。
除了求和电路55之外的其它方法可用于组合初步燃烧空气控制信号51和期望的稳态燃烧空气控制信号53。例如，取决于环境，可通过将一个输入加权到另一个上的算法完成组合。
期望的稳态燃烧空气控制信号53用于协调燃料控制器23和燃烧空气控制器25的操作。此类协调可降低将会发生的燃气涡轮机的各种负面状态的可能性。例如，此类协调可降低贫燃吹灭、排放超温以及压缩机喘振的可能性。
稳态空气对燃料模型15使用其模型来从初步燃料控制信号41计算期望稳态燃烧空气控制信号53。如图2中所示，空气对燃料模型59可将入口导叶位置(IGV)与燃料行程基准值(FSR)相关联。备选地，空气对燃料模型可直接将气流与燃料流相关联。初步燃料控制信号41直接或间接地控制燃料控制致动器35。对于给定的初步燃料控制信号41，稳态空气对燃料模型15使用空气对燃料模型确定并输出对应的期望稳态燃烧空气控制信号53。应该理解的是空气对燃料模型可经由使用算术等式的算法、经由查询表或经由其它已知的建模技术实施。
如图2中所示，模型59可提供FSR和IGV之间的稳态对应性。该稳态空气对燃料模型15将输出期望的稳态燃烧空气控制信号53，以大致沿所示的稳态路径61维持燃气涡轮机11的操作，并补偿快速瞬变状态(从稳态路径61的快速偏离)。从稳态路径的偏离，例如对于给定的FSR过高或过低的IGV值(由图2中的弯曲箭头示意性所示)，可导致诸如贫燃吹灭、排放过温和压缩机喘振的负面状态的发生。
在图2中，稳态路径61是分段线性的。该稳态路径61具有水平部分，其中IGV在低范围的FSR上是恒定的。在水平部分之后，稳态路径61随着FSR增加具有恒定的正斜率。应该理解的是该稳态路径可具有弯曲部分或笔直部分和弯曲部分的组合。
图3是燃气涡轮机11和协调空气-燃料控制器13的示意图。图3中所示的协调空气-燃料控制器13类似于图1中所示。然而，在图3中，将期望的稳态燃烧空气控制信号53提供给界限计算器67，而不是直接提供给燃烧空气控制器25。界限计算器67确定要施加给期望稳态燃烧空气控制信号53的可变偏差。界限计算器67将该偏差添加到期望的稳态燃烧空气控制信号53上以及从期望的稳态燃烧空气控制信号53减去该偏差，以输出对于初步燃烧空气控制信号51的上界限和下界限。将上界限和下界限信号69与初步燃烧空气控制信号一起提供给箝位部分(clamping portion)。箝位部分的输出73是由上界限和下界限信号69箝位的初步燃烧空气控制信号51。当初步燃烧空气控制信号51在界限内时，箝位部分的输出73等于初步燃烧空气控制信号。当初步燃烧空气控制信号51在上界限之上或低于下界限时，箝位部分的输出73分别等于上界限或下界限。
在没有可选的致动器动态补偿器57的根据图3的一个实施例中，箝位部分的输出73是燃烧空气控制输出信号47。在包括可选致动器动态补偿器57的根据图3的一个实施例中，箝位部分的输出73提供给致动器动态补偿器57，该致动器动态补偿器57处理输出73以补偿燃料控制致动器35和燃烧空气控制致动器45之间的响应特性差异。
用于确定界限的偏差是可变的。界限计算器67分析期望的稳态燃烧空气控制信号53的变化率。如果期望的稳态燃烧空气控制信号53的变化率低，则正在发生稳态或近稳态状态，并且偏差设置成相对大。将偏差设置得相对大允许转换函数Kd(s)-Kf(s)而不是期望的稳态燃烧空气控制信号53支配燃烧空气控制输出信号47的控制。如果期望的稳态燃烧空气控制信号53的变化率高，则正在发生快速瞬变状态，并且偏差设置成相对小或设置成0。将偏差裕量设置成相对小允许期望的稳态燃烧空气控制信号53而不是转换函数Kd(s)-Kf(s)支配燃烧空气控制输出信号47的控制。在快速瞬变状态期间，可能期望的是忽略回路燃烧空气控制信号37d-37f并基于根据模型59的期望稳态燃烧空气控制信号53控制燃烧空气控制输出信号47。
应该理解的是箝位部分71可能不完全位于选择逻辑49的下游，而是结合到其中。一个或多个回路燃烧空气控制信号37d-37f可在箝位部分的下游操作。例如，对箝位部分的输入可为max(37d，37e)，而箝位部分的输出与37f进行比较，这两者的较小值成为到致动器动态补偿器的输入。这有效地给予控制回路产物37f比来自界限计算器67的上界限和下界限信号69更高的优先权。
总而言之，本发明提供了用于燃气涡轮机的基于模型的协调空气-燃料控制。
应该明显的是此公开作为示例且可通过在不背离本公开中所包含的教导的恰当范围的情况下增加、改变或消除细节而做出各种改变。本发明因而不限于此公开的特定细节，而只是限于所附权利要求必然如此受限的程度。

Claims (15)

1.一种用于燃气涡轮机(11)的控制系统，包括：
燃料控制致动器(35)；
燃烧空气控制致动器(45)；
协调空气-燃料控制器(13)，其控制所述燃料控制致动器(35)和所述燃烧空气控制致动器(45)的操作，其中所述协调空气-燃料控制器(13)接收多个燃气涡轮机(11)状态输入信号，并基于该输入信号确定第一误差信号(37c)、第二误差信号(37c)、第三误差信号(37c)和第四误差信号(37c)，并且其中所述协调空气-燃料控制器(13)包括：
燃料控制器(23)，其向所述燃料控制致动器(35)提供燃料控制输出信号(33)以控制所述燃料控制致动器(35)的操作，
其中所述燃料控制器(23)使用第一转换函数处理所述第一误差信号(37c)以获得第一回路控制信号(37c)，
其中所述燃料控制器(23)使用第二转换函数处理所述第二误差信号(37c)以获得第二回路控制信号(37c)，以及
其中所述燃料控制器(23)基于所述第一回路控制信号(37c)和所述第二回路控制信号(37c)的至少其中一个确定初步燃料控制信号(41)，并基于所述初步燃料控制信号(41)确定所述燃料控制输出信号(33)；
燃烧空气控制器(25)，其向所述燃烧空气控制致动器(45)提供燃烧空气控制输出信号(47)，以控制所述燃烧空气控制致动器(45)的操作；以及
与所述燃料控制器(23)通信的稳态空气对燃料模型(15)，其中所述稳态空气对燃料模型(15)处理所述初步燃料控制信号(41)以确定期望的稳态燃烧空气控制信号(53)；
其中所述燃烧空气控制器(25)使用第三转换函数处理所述第三误差信号(37c)以获得第三回路控制信号(37c)，
其中所述燃烧空气控制器(25)使用第四转换函数处理所述第四误差信号(37c)以获得第四回路控制信号(37c)；以及
其中所述燃烧空气控制器(25)基于所述第三回路控制信号(37c)和所述第四回路控制信号(37c)的至少其中一个确定初步燃烧空气控制信号(51)，并基于所述初步燃烧空气控制信号(51)和所述期望的稳态燃烧空气控制信号(53)确定所述燃烧空气控制输出信号(47)。
2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述协调空气-燃料控制器(13)包括用于确定施加到所述初步燃烧空气控制信号(51)上的上界限和下界限的界限计算器(67)，其中所述界限计算器(67)基于所述期望的稳态燃烧空气控制信号(53)的变化率确定所述上界限和下界限。
3.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述稳态空气对燃料模型(15)基于实际稳态状态自动地调整。
4.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述燃气涡轮机(11)状态输入信号的至少其中一些基于估计状态。
5.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述燃气涡轮机(11)状态输入信号的至少其中一些由与所述燃气涡轮机(11)相关联的传感器(17)提供。
6.如权利要求5所述的控制系统，其特征在于，与所述燃气涡轮机(11)相关联的所述传感器(17)包括感测所述燃气涡轮机(11)的旋转速度并生成速度信号(37c)的速度传感器(17)，感测所述燃气涡轮机(11)的排放温度并生成温度信号(37c)的温度传感器(17)。
7.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述燃料控制器(23)包括补偿所述燃料控制致动器(35)和所述燃烧空气控制致动器(45)之间的响应特性差异的致动器动态补偿器(43)，并且其中所述致动器动态补偿器(43)处理所述初步燃料控制信号(41)以确定所述燃料控制输出信号(33)。
8.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于，在确定所述燃料控制输出信号(33)中，所述致动器动态补偿器(43)向所述初步燃料控制信号(41)添加延迟。
9.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述燃料控制输出信号(33)等于所述初步燃料控制信号(41)。
10.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述燃烧空气控制器(25)包括补偿所述燃料控制致动器(35)和所述燃烧空气控制致动器(45)之间的响应特性差异的致动器动态补偿器(43)。
11.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述燃烧空气控制致动器(45)控制入口导向叶片的位置。
12.如权利要求11所述的控制系统，其特征在于，所述燃料控制致动器(35)控制燃料行程(63)，并且此外其中所述稳态空气对燃料模型(15)提供燃料行程(63)基准值和所述入口导向叶片的位置之间的稳态关系。
13.一种控制燃气涡轮机(11)中的空气供应和燃料供应的方法，包括如下步骤：基于所述燃气涡轮机(11)的第一状态生成第一误差信号(37c)；基于所述燃气涡轮机(11)的第二状态生成第二误差信号(37c)；基于所述燃气涡轮机(11)的第三状态生成第三误差信号(37c)；基于所述燃气涡轮机(11)的第四状态生成第四信号(37c)；根据第一转换函数处理所述第一误差信号(37c)以获得第一回路控制信号(37c)；
根据第二转换函数处理所述第二误差信号(37c)以获得第二回路控制信号(37c)；
根据第三转换函数处理所述第三误差信号(37c)以获得第三回路控制信号(37c)；
根据第四转换函数处理所述第四误差信号(37c)以获得第四回路控制信号(37c)；
基于所述第一回路控制信号(37c)和所述第二回路控制信号(37c)的至少其中一个生成初步燃料控制信号(41)；
基于所述初步燃料控制信号(41)生成燃料控制输出信号(33)；
向燃料控制致动器(35)提供所述燃料控制输出信号(33)；
通过所述燃料控制致动器(35)基于所述燃料控制输出信号(33)调整燃料流量；
提供稳态空气对燃料模型(15)；
通过所述稳态空气对燃料模型(15)并从所述初步燃料控制信号(41)生成期望的稳态燃烧空气控制信号(53)；
基于所述第三回路控制信号(37c)和所述第四回路控制信号(37c)的至少其中一个生成初步燃烧空气控制信号(51)；
基于所述初步燃烧空气控制信号(51)和所述期望的稳态燃烧空气控制信号(53)生成燃烧空气控制输出信号(47)；
向燃烧空气控制致动器(45)提供所述燃烧空气控制输出信号(47)；以及
通过所述燃烧空气控制致动器(45)基于所述燃烧空气控制输出信号(47)调整燃烧空气的量。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于实际稳态状态自动调整所述稳态空气对燃料模型(15)的步骤。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括补偿所述燃料控制致动器(35)和所述燃烧空气控制致动器(45)之间的响应特性差异的步骤。
CN201110130362.9A 2010-05-14 2011-05-12 用于燃气涡轮机的基于模型的协调空气-燃料控制 Expired - Fee Related CN102322355B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/780,187 US8171717B2 (en) 2010-05-14 2010-05-14 Model-based coordinated air-fuel control for a gas turbine
US12/780187 2010-05-14
US12/780,187 2010-05-14

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102322355A true CN102322355A (zh) 2012-01-18
CN102322355B CN102322355B (zh) 2015-03-25

Family

ID=44201360

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201110130362.9A Expired - Fee Related CN102322355B (zh) 2010-05-14 2011-05-12 用于燃气涡轮机的基于模型的协调空气-燃料控制

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8171717B2 (zh)
EP (1) EP2386741B1 (zh)
JP (1) JP5194144B2 (zh)
CN (1) CN102322355B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108779713A (zh) * 2016-03-22 2018-11-09 三菱日立电力系统株式会社 燃气轮机的特性评价装置以及燃气轮机的特性评价方法
WO2022099955A1 (zh) * 2020-11-10 2022-05-19 中国科学院上海高等研究院 在动态过程中保持燃气轮机燃烧稳定的方法、计算机可读介质以及燃机控制系统

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8437941B2 (en) 2009-05-08 2013-05-07 Gas Turbine Efficiency Sweden Ab Automated tuning of gas turbine combustion systems
US9267443B2 (en) 2009-05-08 2016-02-23 Gas Turbine Efficiency Sweden Ab Automated tuning of gas turbine combustion systems
US9671797B2 (en) 2009-05-08 2017-06-06 Gas Turbine Efficiency Sweden Ab Optimization of gas turbine combustion systems low load performance on simple cycle and heat recovery steam generator applications
US9354618B2 (en) 2009-05-08 2016-05-31 Gas Turbine Efficiency Sweden Ab Automated tuning of multiple fuel gas turbine combustion systems
US8899488B2 (en) 2011-05-31 2014-12-02 United Technologies Corporation RFID tag system
EP2568145B1 (en) 2011-09-08 2018-03-21 Ansaldo Energia IP UK Limited Gas turbine controller and a method for controlling a gas turbine
US20130167549A1 (en) * 2011-12-29 2013-07-04 Chad M. Holcomb Compressor guide vane and pilot control for gas turbine engine
US8925319B2 (en) * 2012-08-17 2015-01-06 General Electric Company Steam flow control system
US9540944B2 (en) 2012-09-28 2017-01-10 United Technologies Corporation Real time model based compressor control
US8720258B2 (en) 2012-09-28 2014-05-13 United Technologies Corporation Model based engine inlet condition estimation
US20140137538A1 (en) * 2012-11-16 2014-05-22 United Technologies Corporation Fast Response Bypass Engine
US9850823B2 (en) * 2013-12-26 2017-12-26 Siemens Aktiengesellschaft Control system and method for controlling a gas turbine engine during transients
US9677476B2 (en) 2014-02-26 2017-06-13 General Electric Company Model-based feed forward approach to coordinated air-fuel control on a gas turbine
CN104196640B (zh) * 2014-07-31 2017-11-03 北京华清燃气轮机与煤气化联合循环工程技术有限公司 一种基于重型燃气轮机模型的解耦控制方法和系统
US10961921B2 (en) 2018-09-19 2021-03-30 Pratt & Whitney Canada Corp. Model-based control system and method for a turboprop engine
KR102536508B1 (ko) * 2021-03-12 2023-05-26 한전케이피에스 주식회사 응답특성 선형화 해석을 통한 비율 제어기 동기화 튜닝 시스템 및 그 방법

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4048964A (en) * 1975-07-24 1977-09-20 Chrysler Corporation Fuel metering apparatus and method
US4529887A (en) * 1983-06-20 1985-07-16 General Electric Company Rapid power response turbine
US4550565A (en) * 1984-01-16 1985-11-05 Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha Gas turbine control systems
US4809497A (en) * 1983-06-15 1989-03-07 Sunstrand Corporation Gas turbine engine/load compressor power plants
US5487265A (en) * 1994-05-02 1996-01-30 General Electric Company Gas turbine coordinated fuel-air control method and apparatus therefor
CN101128661A (zh) * 2005-02-17 2008-02-20 伊斯帕诺-絮扎公司 以调节燃料流速向燃气轮发动机供应燃料的装置

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3797233A (en) * 1973-06-28 1974-03-19 United Aircraft Corp Integrated control for a turbopropulsion system
US4139887A (en) * 1977-04-28 1979-02-13 United Technologies Corporation Dynamic compensation for multi-loop controls
US4928482A (en) * 1988-09-20 1990-05-29 United Technologies Corporation Control of high compressor vanes and fuel for a gas turbine engine
US4947643A (en) * 1988-09-20 1990-08-14 United Technologies Corporation Active geometry control system for gas turbine engines
US5133182A (en) * 1988-09-20 1992-07-28 United Technologies Corporation Control of low compressor vanes and fuel for a gas turbine engine
US4928484A (en) * 1988-12-20 1990-05-29 Allied-Signal Inc. Nonlinear multivariable control system
US5060469A (en) * 1989-09-21 1991-10-29 Allied-Signal Inc. Integrated power unit control apparatus and method
JP2954401B2 (ja) * 1991-08-23 1999-09-27 株式会社日立製作所 ガスタービン設備およびその運転方法
EP0890888B1 (de) * 1997-07-11 2003-01-15 ALSTOM (Switzerland) Ltd Regelsystem zur Regelung wenigstens einer Variablen eines Prozesses sowie Anwendung eines solchen Regelsystems
DE19804026C1 (de) * 1998-02-02 1999-05-06 Siemens Ag Verfahren und Regeleinrichtung zur Regelung eines Gasturbosatzes, insbesondere von Gas- und Dampf-Kraftwerken
JP3716244B2 (ja) * 2002-09-19 2005-11-16 三菱重工業株式会社 クラッチを備えた一軸コンバインドプラントの運転制御装置及び運転制御方法。
JP2004132255A (ja) * 2002-10-10 2004-04-30 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 燃焼器制御装置
ITTO20030828A1 (it) * 2003-10-21 2005-04-22 Ansaldo Energia Spa Sistema di controllo per turbina a gas.
US7245040B2 (en) * 2005-07-15 2007-07-17 Honeywell International, Inc. System and method for controlling the frequency output of dual-spool turbogenerators under varying load

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4048964A (en) * 1975-07-24 1977-09-20 Chrysler Corporation Fuel metering apparatus and method
US4809497A (en) * 1983-06-15 1989-03-07 Sunstrand Corporation Gas turbine engine/load compressor power plants
US4529887A (en) * 1983-06-20 1985-07-16 General Electric Company Rapid power response turbine
US4550565A (en) * 1984-01-16 1985-11-05 Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha Gas turbine control systems
US5487265A (en) * 1994-05-02 1996-01-30 General Electric Company Gas turbine coordinated fuel-air control method and apparatus therefor
CN101128661A (zh) * 2005-02-17 2008-02-20 伊斯帕诺-絮扎公司 以调节燃料流速向燃气轮发动机供应燃料的装置

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108779713A (zh) * 2016-03-22 2018-11-09 三菱日立电力系统株式会社 燃气轮机的特性评价装置以及燃气轮机的特性评价方法
CN108779713B (zh) * 2016-03-22 2020-11-13 三菱动力株式会社 燃气轮机的特性评价装置以及燃气轮机的特性评价方法
WO2022099955A1 (zh) * 2020-11-10 2022-05-19 中国科学院上海高等研究院 在动态过程中保持燃气轮机燃烧稳定的方法、计算机可读介质以及燃机控制系统

Also Published As

Publication number Publication date
JP5194144B2 (ja) 2013-05-08
EP2386741B1 (en) 2019-08-28
CN102322355B (zh) 2015-03-25
JP2011241829A (ja) 2011-12-01
US20110277482A1 (en) 2011-11-17
US8171717B2 (en) 2012-05-08
EP2386741A3 (en) 2018-04-18
EP2386741A2 (en) 2011-11-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102322355A (zh) 用于燃气涡轮机的基于模型的协调空气-燃料控制
US8215095B2 (en) Model-based coordinated air-fuel control for a gas turbine
US6637205B1 (en) Electric assist and variable geometry turbocharger
US9043118B2 (en) Methods and systems for model-based control of gas turbines
CN102317600B (zh) 用于控制燃气涡轮机的方法和系统以及包括该系统的燃气涡轮机
JP6403882B2 (ja) 内燃機関の制御装置
US9964047B2 (en) Gas turbine engine optimization control device
JP5868671B2 (ja) 弁制御装置、ガスタービン、及び弁制御方法
CN1619122A (zh) 用于控制燃气轮机燃烧室的燃料分离的方法
JP2008045410A (ja) 過給機付き内燃機関の制御装置
JP2008082960A (ja) ターボチャージャの試験装置
KR101843698B1 (ko) 제어 장치, 시스템 및 제어 방법
CN106481445B (zh) 用来求取用于废气驱动的增压装置的增压调节器的调节参量的方法和设备
JP2011241782A (ja) ガスタービン燃料の制御機構及びガスタービン
CN106884725B (zh) 在燃气涡轮调节中对功率输出-排放参数的概率控制
JP5501870B2 (ja) ガスタービン
CN115539210A (zh) 控制燃气涡轮功率装置的方法和燃气涡轮功率装置
JP6255716B2 (ja) 制御装置および給湯システムの制御装置
JP2001193480A (ja) ガスタービンの制御方法および制御装置
JP2004011639A (ja) 内燃機関における排気ガス・ターボチャージャのチャージ圧力制御方法および装置
JP2008082296A (ja) ターボチャージャの試験装置
JP2022055337A (ja) 温度に基づいたガスタービンの制御および方法
US11125166B2 (en) Control system, gas turbine, power generation plant, and method of controlling fuel temperature
CN102953837A (zh) 燃气轮机装置、其控制装置以及其控制方法
CN113513412A (zh) 通过改变多个燃气涡轮的分流负载来对气体循环发电厂操作进行建模和控制

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20150325

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee