CN102418605A - 燃烧基准温度估算 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃烧基准温度估算。具体而言，提供了用于改善燃烧基准温度(CRT)估算的准确度的方法、系统和程序产品。在一个实施例中，本发明提供了一种估算燃气轮机中的燃烧基准温度(CRT)的方法，该方法包括：获得燃气轮机至少一个动态操作状况的测量值，所述操作状况选自由以下各项所构成的组：环境状况、压缩机状况、燃料状况，以及涡轮状况；将至少一个操作状况的测量值输入基于物理的模型；使用基于物理的模型来计算对于燃气轮机的至少一个估算内部状态；以及基于至少一个燃气轮机内部状态来计算估算的CRT。

Description

燃烧基准温度估算

技术领域

本发明的实施例主要涉及涡轮机，并且更具体地涉及用于估算诸如燃气轮机的涡轮机器中的燃烧基准温度(CRT)的方法、系统以及程序产品。

背景技术

CRT通常在燃气轮机控制方案中用作在燃气轮机操作期间对燃料进行分级和调度的依据。分级涉及启用和/或停用采用多条燃料回路的燃气轮机上的各种燃料回路。分级的改变通常称为模式转换。调度燃料回路分流涉及确定由各启用的燃料回路所输送的总体燃料质量流的分流。CRT通常使用基于多个测量输入(例如，压缩机排出压力、压缩机排出温度和/或涡轮排气温度)的由经验导出的模型来估算。

估算的CRT表示对燃气轮机内部温度的估值，其将包括各种误差成分。例如，为了简便和适用性广泛，常规的由经验导出的模型需要牺牲其在整个环境和操作状况中估算的准确度。此外，此类常规模型的静态性质并未考虑物理变化或差异，例如，可能存在于不同单元之间以及给定单元的整个寿命期间的那些。通常，稳态状况的常规模型预测并未考虑热瞬变期间的热传递。

常规模型的这些和其它局限性导致CRT估算不准确和不适当地调度燃料分流和模式转换，从而潜在地导致燃烧操作性问题。

发明内容

本发明的实施例提供了用于改善燃烧基准温度(CRT)估算准确度的方法、系统以及程序产品。在本发明的一些实施例中，使用高保真度、基于物理的模型实现了这种改善的准确度，从而提供了优于传统CRT估算方法的许多优点。

在一个实施例中，本发明提供了一种估算燃气轮机中的燃烧基准温度(CRT)的方法，该方法包括：获得燃气轮机至少一个动态操作状况的测量值(measurement)，该操作状况选自由以下各项所构成的组：环境状况、压缩机状况、燃料状况，以及涡轮状况；将至少一个操作状况的测量值输入基于物理的模型中；使用基于物理的模型来计算对于燃气轮机的至少一个估算内部状态(state)；以及基于至少一个燃气轮机内部状态来计算估算的CRT。

在另一个实施例中，本发明提供了一种用于估算燃气轮机中的燃烧基准温度(CRT)的系统，该系统包括：计算装置；用于获得燃气轮机至少一个动态操作状况的测量值的测量装置，该操作状况选自由以下各项所构成的组：环境状况、压缩机状况、燃料状况，以及涡轮状况；用于将至少一个操作状况的测量值输入基于物理的模型中的输入装置；用于使用基于物理的模型计算对于燃气轮机的至少一个估算内部状态的计算器；以及用于基于至少一个燃气轮机内部状态来计算估算的CRT的计算器。

在又一个实施例中，本发明提供了一种储存在计算机可读储存介质上的程序产品，其在执行时，估算燃气轮机中的燃烧基准温度(CRT)，该程序产品包括：用于获得燃气轮机至少一个动态操作状况的测量值的程序代码，该操作状况选自由以下各项所构成的组：环境状况、压缩机状况、燃料状况，以及涡轮状况；用于将至少一个操作状况的测量值输入基于物理的模型中的程序代码；用于使用基于物理的模型计算对于燃气轮机的至少一个估算内部状态的程序代码；以及用于基于至少一个燃气轮机内部状态来计算估算的CRT的程序代码。

在再一个实施例中，本发明提供了一种操作涡轮机器的方法，该方法包括：获得燃气轮机至少一个动态操作状况的测量值，该操作状况选自由以下各项所构成的组：环境状况、压缩机状况、燃料状况，以及涡轮状况；将至少一个操作状况的测量值输入基于物理的模型；使用基于物理的模型计算对于燃气轮机的至少一个估算内部状态；基于至少一个燃气轮机内部状态来计算估算的CRT；以及基于CRT来调度以下中的至少一个：燃料回路分流或燃烧模式转换。

附图说明

根据本发明各方面的以下详细描述并结合描绘本发明各种实施例的附图，将更容易地理解本发明的这些及其它特征，在附图中：

图1示出了使用常规估算方法在变化的环境温度下的燃烧基准温度(CRT)误差的坐标图。

图2示出了使用常规估算方法在标称单元和劣化单元中的CRT误差的坐标图。

图3示出了考虑瞬变效应和未考虑瞬变效应的在燃气轮机加载和卸载期间计算的CRT的坐标图。

图4示出了CRT估算的热传递速率效果的坐标图。

图5示出了根据本发明实施例的系统的简图。

图6示出了根据本发明实施例的方法的流程图。

注意的是，本发明的附图并未按比例。附图仅意图描绘本发明的典型方面，且因此不应视作为对本发明的范围进行限制。在附图中，相似的标号表示附图间相似的元件。

零件清单

90环境

92涡轮机器

94涡轮系统

96发电机

102计算机基础结构

104计算装置

106基于物理的控制系统

112存储器

114处理器(PU)

116输入/输出(I/O)接口

118总线

120外部I/O装置/设备(resource)

122储存系统

134(CRT)控制方案

150其它系统构件

具体实施方式

本发明的实施例依靠高保真度的基于物理的模型改善了在燃气轮机中估算CRT的准确度，从而提供了优于传统CRT估算方法的许多优点。

单独利用高保真度的基于物理的模型产生了益处。该模型能够较好地模拟燃气轮机的复杂物理过程，且更为准确地模拟宽广范围的操作状况(例如，负载)和变化下的内部燃气轮机状态，其中，该变化包括内部(例如，制造变化和劣化)变化和外部(环境状况)变化。在本发明的一个实施例中，一种方法包括使用在GE控制系统中采用的自适应性实时发动机模拟(ARES)，且提供了改善的总体准确度。这种改善的部分是由于与传统CRT计算的四个输入相比，ARES模型输入的数目增加了一个数量级。通过考虑将附加变量作为输入，模型的准确度相比于利用较少的输入而言得到改善。准确度的改善可为至少一个数量级。例如，参见图1，其示出了传统CRT估算方法在各种负载和环境温度下的相对误差程度。

附加的改进在于利用了自适应的模型，即，该模型利用一个或多个输入来主动地实时调节控制器模型，以便匹配给定调节输入的响应。因此，该模型并非仅是表示平均单元，而是经调节用以匹配处于其当前状态的当前单元。在给定单元与单元和在产品寿命上两者的环境变化和燃气轮机内部变化的情况下，结果是改善了任何估算输出信号的准确度。例如，参见图2，其示出了在输出范围内的传统CRT估算方法在标称单元和劣化单元中的差异。

由本发明实施例提供的另一优点在于模拟瞬变效应，而非如在公知方法中那样仅是稳态效果。一种瞬变效应是在工作流体与燃气轮机之间引起的热传递。热瞬变事件的实例包括负载变化和电网频率事件。取决于瞬变事件，能量可传递至工作流体或自工作流体传递，从而影响燃气轮机的真实内部状态。通过模拟热传递，内部状态的准确度如CRT那样在瞬变事件期间得到改善。

例如，图3示出了当考虑瞬变效应和不考虑瞬变效应时在燃气轮机的加载和卸载期间的估算CRT的坐标图。如可看到的那样，未考虑瞬变效应导致低估加载期间的CRT，以及高估卸载期间的CRT。已观察到的是，该误差通过利用热传递模型而减少一个或两个数量级，这取决于热瞬变事件的严重性。图4示出了有关估算CRT的热传递速率效果的坐标图。

单独的各所述因素，以及它们的组合改善了CRT估算的准确度。这样改善的CRT准确度导致提高了燃料分流的分级和调度的准确度，这继而又改善了燃烧器的操作性和稳健性。

在本发明的一个实施例中，一个或多个动态操作状况可进行测量并输入到基于物理的模型中，以估算燃气轮机的CRT。如文中所用，动态操作状况为变化的且受测量影响的操作状况。通常，在本发明上下文中的动态操作状况可在短时段期间如在数分钟或数秒的时段内变化。例如，这些操作状况可包括环境状况、压缩机状况、燃料状况和/或涡轮状况。例如，环境状况可包括环境温度、环境压力、环境湿度和/或环境空气密度。例如，压缩机状况可包括压缩机入口温度、压缩机入口压力、压缩机入口空气密度、压缩机排出温度、压缩机排出压力、入口导叶位置、压缩机空气流状况、压缩机抽气流状况和/或入口放泄热流状况。例如，燃料状况可包括燃料质量流、燃料温度、燃料密度、燃料热值和/或燃料成分。例如，涡轮状况可包括涡轮排气温度、涡轮排气压力、涡轮排气气体密度和/或涡轮轴速度。在本发明的一些实施例中，涡轮状况为热瞬变(即，涡轮内热传递的量度)。以上陈述提供了实例而非详尽列表。

图5示出了对于涡轮机器92的示范性环境90的示意图。如图所示，涡轮机器92包括联接到发电机96上的涡轮系统94。理解的是，各部分均可包括任何现在公知或以后开发出的针对其操作所需的结构。例如，涡轮系统94可包括具有任意数目的低压区段、中压区段或高压区段的燃气涡轮和/或蒸汽涡轮等。环境90包括计算机基础结构102，其可执行文中关于控制方案所述的各种工艺步骤。具体而言，计算机基础结构102示为包括计算装置104，该装置104包括基于物理的控制系统106，其使计算装置104能够通过执行本公开内容的工艺步骤来执行基于物理的控制方案。理解的是，基于物理的控制系统106包括许多其它系统/模块，以便基于针对涡轮机器92的模拟技术来执行任何现在公知或以后开发出的控制系统。

计算装置104示为包括存储器112、处理器(PU)114、输入/输出(I/O)接口116，以及总线118。此外，计算装置104示为与外部I/O装置/设备120和储存系统122通信。如本领域中公知的那样，通常，处理器114执行计算机程序代码，例如基于模型的控制系统106，其储存在存储器112和/或储存系统122中。在本发明的一些实施例中，处理器114可用于计算估算的CRT。当执行计算机程序代码时，处理器114可从存储器112、储存系统122和/或I/O接口116读取数据和/或将数据写入存储器112、储存系统122和/或I/O接口116，例如温度数据或压力数据。总线118提供在计算装置104中各构件之间的通信链路。I/O装置120可包括能使用户与计算装置104互相作用的任何装置，或使计算装置104能够与一个或多个其它计算装置通信的任何装置。输入/输出装置(包括但不限于键盘、显示器、指示装置等)可直接地或经由介入的I/O控制器联接到系统上。

在本发明的一些实施例中，I/O装置120可包括用于测量涡轮系统94的动态操作状况的测量装置，以及/或者用于将此种动态操作状况的测量值输入包含在计算装置104内的方案中的输入装置。

在任何情况下，计算装置104都可包括能够执行由用户安装的计算机程序代码的任何通用计算制品(例如，个人计算机、服务器、手持式装置等)。然而，理解的是，计算装置104和基于物理的控制系统106仅表示可执行本公开内容的各种工艺步骤的各种可能同等的计算装置。对此，在其它实施例中，计算装置104可包括含有用于执行特定功能的硬件和/或计算机程序代码的任何专用计算制品、含有专用和通用硬件/软件的组合的任何计算制品等。在各种情况下，程序代码和硬件可分别使用标准编程和工程技术来产生。

当执行时，根据本发明实施例的程序产品的技术效果为估算燃气轮机中的CRT。该技术效果的实现例如可通过：获得燃气轮机的至少一个动态操作状况的测量值，该操作状况选自由以下各项所构成的组：环境状况、压缩机状况、燃料状况，以及涡轮状况；使用基于物理的模型来计算对于燃气轮机的至少一个估算内部状态，上述至少一个动态操作状况的测量值输入到该基于物理的模型中；以及基于该至少一个燃气轮机内部状态来计算估算的CRT。

类似的是，计算机基础结构102仅表示用于执行本公开内容的各种类型的计算机基础结构。例如，在一个实施例中，计算机基础结构102包括两个或多个计算装置(例如，服务器群集)，其在任何类型的有线和/或无线通信链路如网络、共享存储器等上通信，以便执行本公开内容的各种工艺步骤。当通信链路包括网络时，该网络可包括一种或多种网络的任何组合(例如，国际互联网、广域网、局域网、虚拟专用网络等)。网络适配器还可耦接到系统上，以便使数据处理系统能够通过介入的专用网络或公共网络而耦接到其它数据处理系统或远程打印机或储存装置上。调制解调器、线缆调制解调器和以太网卡只是当前可用类型的网络适配器中的一些。不管怎样，计算装置之间的通信都可使用各种类型的传输技术的任何组合。

如前文提到且下文进一步描述的那样，基于物理的控制系统106使计算基础结构102尤其能够执行本文所述的控制方案。对此，基于物理的控制系统106示为包括燃烧基准温度(CRT)控制方案134。下文进一步描述了这些方案以及相关的方法和系统中各个的操作。然而，理解的是，图5中示出的方案可独立地执行、组合和/或储存在用于包括在计算机基础结构102中的一个或多个单独计算装置的存储器中。此外，理解的是，所述方案和/或功能性中的一些不能执行，或附加的方案和/或功能性可作为环境90的一部分而被包括。

CRT控制方案134使用基于物理的模型，并使用一个或多个动态状况如上文所述的那些来估算CRT。更为准确的CRT改善了调度燃烧器分流和模式转换的准确度，从而避免了燃烧器操作性问题。这例如有益于具有紧密(或密封)燃烧操作性窗口的燃气轮机产品，以及调度此类燃烧器分流和模式转换对于避免燃烧操作性问题和改善燃烧器操作的稳健性很关键。即是说，更为准确的CRT估算容许较少的折衷，且改善了排放、性能以及燃烧器的操作性。在不具有足够的窗口来容许管理CRT估算不准确度的产品中，CRT控制方案134提供了稳健的解决方案。CRT控制方案134还容许开发和使用为了排放和性能益处而需要改善调度准确度的新产品。

CRT控制方案134不需要直接燃烧器边界模型，且因此可以较少努力来执行。在此情况下，利用ARES的CRT控制方案134，真实边界是在取决于CRT准确度的预定燃料分流调度中是固有的。该方法可补充也不具有直接边界模型的燃烧模式中的常规方法。

CRT控制方案134还可以互补方式结合当前由经验导出的模型使用，从而容许实况测量来调节燃气轮机模型，以便调节的模型存在且可在测量故障的情况下使用。

图6示出了根据本发明实施例的方法的流程图。该方法将在此描述为应用于燃气涡轮，但该方法类似地可应用于如上文提到的其它装置。

在S1，获得燃气轮机的一个或多个动态操作状况的测量值。如本文所用，″获得″、″获取″以及类似用语是指包括通过测量直接获得，以及传输、接收和/或采集以其它方式产生的测量值。如上文所述，此类动态操作状况例如可包括环境状况、压缩机状况、燃料状况和/或涡轮状况。

在S2，将在S1所获得的测量值输入基于物理的模型中，且在S3将其用于计算燃气涡轮的一个或多个估算内部状态。在S4，在S3所计算的估算值用于计算估算的CRT。在S5，使用S4的估算CRT来确定如上文所述的燃料分级模式和/或燃料回路分流。

如本领域的普通技术人员将认识到的那样，本文所述的控制方案可体现为系统、方法或计算机程序产品，例如，作为对于涡轮机器的总体控制系统的一部分。因此，本发明的实施例可采取以下形式：完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)或结合软件和硬件的方面的实施例，它们所有在文中通常都可称为″电路″、″模块″或″系统″。此外，本发明可采取包含在任何有形表现介质中的计算机程序产品的形式，该有形表现介质具有包含在该介质中的计算机可用程序代码。

一个或多个计算机可用或计算机可读介质的任何组合都可使用。计算机可用或计算机可读介质例如可为但不限于电子、磁性、光学、电磁、红外线或半导体系统、设备、装置或传播介质。计算机可读介质的更具体的实例(非详尽列表)将包括以下：具有一条或多条线缆的电接头、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦可编程只读存储器(EPROM或闪速存储器)、光学纤维、便携式压缩光盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存装置、传输介质如支持国际互联网或内部网的那些，或磁储存装置。注意，计算机可用或计算机可读介质甚至可为纸张或程序印制在其上的其它适合的介质，因为程序例如可通过对纸张或其它介质的光学扫描而以电子方式俘获，如果需要的话，然后编译、转译或以适合的方式进行其它处理，且然后储存在计算机存储器中。在本文件的上下文中，计算机可用或计算机可读介质可为能包含、储存、传输、传送或输送程序以便由指令执行系统、设备或装置使用或结合其使用的任何介质。计算机可用介质可包括传送的数据信号，而计算机可用程序代码在基带中或作为载波的一部分而实现为与其相结合。计算机可用程序代码可使用任何适合的介质传输，包括但不限于无线、有线、光纤线缆、RF等。

用于执行本发明的操作的计算机程序代码可以一种或多种编程语言的任何组合写入，这些编程语言包括面向对象编程语言，如Java、Smalltalk、C++等，以及常规过程编程语言，如″C″编程语言或类似的编程语言。程序代码可完全在用户的计算机上执行、作为独立软件包而部分地在用户的计算机上执行、部分地在用户的计算机上且部分地在远程计算机上执行，或完全地在远程计算机或服务器上执行。在后一方案中，远程计算机可经由任何类型的网络而连接到用户的计算机上，这些网络包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，或该连接可相对于外部计算机而产生(例如，通过使用国际互联网服务提供商的国际互联网)。

参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图在文中描述了本发明的实施例。将会理解的是，流程图和/或框图中的各框，以及流程图和/或框图中框的组合，都可由计算机程序指令执行。这些计算机程序指令可提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程序数据处理设备的处理器来制造机器，以便通过计算机或其它可编程序数据设备的处理器执行的指令产生用于执行流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的装置(means)。

这些计算机程序指令还可存储在计算机可读介质中，该介质可指导计算机或其它可编程数据处理设备来以特定方式起作用，使得储存在计算机可读介质中的指令产生包括指令装置的制品，该指令装置执行流程图和/或框图的一个或多个框中所指定的功能/动作。

计算机程序指令还可加载到计算机或其它可编程数据处理设备上，以便形成将在计算机或其它可编程设备上执行的一系列操作步骤，从而产生计算机执行的处理，使得在计算机或其它可编程设备上执行的指令提供用于实现流程图和/或框图的一个或多个框中所指定的功能/动作。

本文所用的措辞仅是为了描述特定实施例的目的，而非意图限制本公开内容。如本文所用，单数形式″一″、″一个″，以及″该″，除非上下文另外清楚地指出，否则是指还包括复数形式。还将理解到的是，用语″包括″和/或″包含″当用于本说明书中时，表示存在所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或构件，但并未排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、构件和/或它们的组合的存在或添加。

本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，且还使本领域的普通技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何相关或相结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的普通技术人员所构思出的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求的文字语言并无不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的文字语言无实质差异的同等结构元件，则认为这些实例落在权利要求的范围之内。

Claims (8)

1.一种估算燃气轮机中燃烧基准温度(CRT)的方法，所述方法包括：

获得所述燃气轮机的至少一个动态操作状况的测量值，所述操作状况选自由以下各项所构成的组：环境状况、压缩机状况、燃料状况，以及涡轮状况；

将所述至少一个操作状况的测量值输入基于物理的模型中；

使用所述基于物理的模型来计算对于所述燃气轮机的至少一个估算内部状态；以及

基于所述至少一个燃气轮机内部状态来计算估算的CRT。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

基于所述估算的CRT来执行以下中的至少一个：确定燃料分级模式或确定燃料回路分流。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述环境状况选自由以下各项所构成的组：环境温度、环境压力、环境湿度、环境空气密度，以及它们的组合。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压缩机状况选自由以下各项所构成的组：压缩机入口温度、压缩机入口压力、压缩机入口空气密度、压缩机排出温度、压缩机排出压力、压缩机排出空气密度、入口导叶位置、压缩机空气流状况、压缩机抽出流状况、入口放泄热流状况，以及它们的组合。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料状况选自由以下各项所构成的组：燃料质量流、燃料温度、燃料密度、燃料热值、燃料成分，以及它们的组合。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涡轮状况选自由以下各项所构成的组：涡轮入口温度、涡轮入口压力、涡轮入口气体密度、涡轮排气温度、涡轮排气压力、涡轮排气气体密度、涡轮轴速度，以及它们的组合。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于物理的模型为自适应的。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于物理的模型包括瞬变热传递模型。

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