CN102713207A - 用于控制方法和涡轮的基于废气温度的阈值 - Google Patents

Abstract

公开了一种燃气涡轮、计算机软件和用于控制包括压缩机、燃烧器和至少一个涡轮的燃气涡轮的操作点的方法。该方法包括：确定在涡轮的排气口处的废气压力的步骤；测量在压缩机处的压缩机压力排放的步骤；基于废气压力和压缩机压力排放确定涡轮压力比率的步骤；根据涡轮压力比率计算一次至贫-贫模式转换阈值基准曲线的步骤，其中一次至贫-贫模式转换阈值曲线包括这样的点，在该点处，燃气涡轮的操作在一次模式与贫-贫模式之间转变；以及控制燃气涡轮以在一次模式与贫-贫模式之间转变的步骤。

Description

用于控制方法和涡轮的基于废气温度的阈值

技术领域

本文中所公开的主题的实施例大体上涉及方法和系统，并且更具体而言，涉及用于控制燃气涡轮的机构和技术。

背景技术

例如在发电厂或喷气发动机中使用的涡轮机械基于新发现和更好的材料而不断发展。此外，这些机械的制造商正面临越来越大的将机械生产或改进成“更环保”，即减小在操作时所产生的污染量的压力。

因此，正在进行用于降低涡轮机械的废气排放的研究，尤其是考虑到使用更宽范围的气体燃料的需要。满足这些要求变得越来越困难，特别是在考虑到这些装置的宽的操作范围时。在这些条件下，为了开发成功的应用，准确的涡轮机械废气温度控制变成有关的因素。

一种用于降低由涡轮机械所产生的污染的途径基于废气温度对压缩机压力比率的范例。就这一点而言，其全部内容以引用方式并入本文的美国专利申请公开2008/0243352描述了现有控制系统可以执行调度算法，该算法调整燃料流量、入口导叶(IGV)和其它控制输入，以提供安全且有效的燃气涡轮操作。燃气涡轮控制系统可接收作为输入的操作参数和设置，这些参数和设置与调度算法结合来确定涡轮控制设置，以实现所期望的操作。测量的操作参数可包括压缩机入口压力和温度、压缩机出口压力和温度、涡轮废气温度和发电机功率输出。所期望的操作设置可包括发电机功率输出和排气能量。基于离线现场试验或实验室数据而限定调度(例如，废气温度对压缩机压力比率、燃料分流对燃烧基准温度、进气加热(IBH)对IGV、压缩机操作极限线对修正速度和入口导叶等)，以保护涡轮超过已知的操作边界(例如，排放物、动态性、贫燃料熄火、压缩机喘振、压缩机结冰、压缩机清理、航空力学等)。调度的输出然后确定对控制系统输入的适当调整。由控制系统管理的典型控制输入可包括燃料流量、燃烧器燃料分布(其可称为“燃料分流”)、压缩机入口导叶位置、以及进气加热流量。

与美国专利申请公开2008/0243352的图1相类似的图1示出了燃气涡轮10的示例，其具有压缩机12、燃烧器14、联接到压缩机12的涡轮16、以及计算机控制系统(控制器)18。至压缩机12的入口管道20可将外界空气供给到压缩机12。入口管道20可具有管道、过滤器、滤网和噪声抑制装置，其有助于流过入口20并进入压缩机12的入口导叶21中的外界空气的压力损失。用于涡轮的废气管道22将燃烧气体从涡轮10的出口引导通过例如排放控制和噪声抑制装置。由于额外部件且由于灰尘和污垢堵塞入口20和废气管道22，入口压力损失和背压的量可以随时间推移而变化。涡轮10可驱动产生电能的发电机24。

如在美国专利申请公开2008/0243352中描述的，燃气涡轮10的操作可通过若干传感器26来监测，这些传感器设计成测量涡轮10、发电机和外界环境的不同的性能相关的变量。例如，几组冗余温度传感器26可监测燃气涡轮10周围的外界温度、压缩机排放温度、涡轮废气温度、以及通过燃气涡轮10的气体流的其它温度测量结果。类似地，几组冗余压力传感器26可监测外界压力、以及在压缩机入口和出口、涡轮排气口、在其它位置处的通过燃气涡轮10的气体流中的静态和动态压力水平。例如干湿球温度计的几组冗余湿度传感器26可测量在压缩机12的入口管道中的外界湿度。几组冗余传感器26也可包括流量传感器、速度传感器、火焰检测器传感器、阀门位置传感器、导叶角度传感器等，这些传感器感测与燃气涡轮10的操作有关的各种参数。如本文所用，“参数”是指可用来限定涡轮的操作条件的项，例如但不限于，在涡轮中限定位置处的温度、压力和气体流量。

美国专利申请公开2008/0243352A中还描述了燃料控制系统28，该系统调节从燃料供应流至燃烧器14的燃料、在流入一次燃料喷嘴和二次燃料喷嘴的燃料之间的一个或多个分流、以及与流入燃烧室的二次空气混合的燃料的量。燃料控制系统28也可以为燃烧器选择燃料类型。燃料控制系统28可以是单独的单元或者可以是主控制器18的构件。控制器18可以是具有至少一个处理器的计算机系统，该处理器执行程序和运算以使用传感器输入和来自操作人的指令来控制燃气涡轮的操作。由控制器18执行的程序和运算可包括，除其它之外，感测操作参数或对操作参数建模、对操作边界建模、应用操作边界模型、应用调度算法、以及将边界控制逻辑应用到边界上的闭环等。由控制器18生成的命令可导致在燃气涡轮上的促动器执行例如以下操作：调整在燃料供应与燃烧器之间的阀(促动器27)，该阀调节流至燃烧器的流量、燃料分流和燃料类型；调整在压缩机上的入口导叶21(促动器29)；调整进气加热量；以及启动对燃气涡轮的其它控制设置。

其全部内容以引用方式并入本文的美国专利申请No. 2002/0106001和2004/0076218描述了一种方法和系统，该方法和系统用于在工作流体中的水蒸汽含量从设计值显著变化时调整涡轮控制算法，以提供对燃气涡轮的燃烧温度(firing temperature)和燃烧基准温度的准确计算。这些参考文献公开了使用涡轮废气温度和涡轮压力比率用于控制燃烧温度。

然而，传统方法和系统在它们控制燃气涡轮的能力方面是有限的，因此期望提供获得更准确的燃烧温度控制、和/或更准确的燃烧参数控制、和/或更准确的废气排放控制的系统和方法。

发明内容

根据一个示例性实施例，存在一种用于控制包括压缩机、燃烧器和至少一个涡轮的燃气涡轮的操作点的方法。该方法包括：确定在涡轮的排气口处的废气压力的步骤；测量在压缩机处的压缩机压力排放的步骤；基于废气压力和压缩机压力排放确定涡轮压力比率的步骤；根据涡轮压力比率计算一次至贫-贫模式转换阈值基准曲线的步骤，其中一次至贫-贫模式转换阈值曲线包括这样的点，即，在该点处涡轮的操作在一次模式与贫-贫模式之间转变；以及控制燃气涡轮以在一次模式与贫-贫模式之间转变的步骤。

根据又一示例性实施例，存在一种具有用于控制燃气涡轮的操作点的控制器的燃气涡轮。该燃气涡轮包括：压缩机，其构造成压缩流体；燃烧器，其连接到压缩机且被构造成接收来自压缩机的压缩流体和燃料；涡轮，其具有与压缩机共用的轴且构造成在接收来自燃烧器的燃烧燃料时旋转；和处理器，其构造成控制压缩机的进气和在燃烧器处的燃料。处理器被构造成：确定在涡轮的排气口处的废气压力；接收压缩机的压缩机压力排放；基于废气压力和压缩机压力排放来确定涡轮压力比率；根据涡轮压力比率计算一次至贫-贫模式转换阈值基准曲线；以及控制燃气涡轮以在一次模式与贫-贫模式之间转变。

根据又一示例性实施例，存在一种包括计算机可执行指令的计算机可读介质，其中指令在被执行时实施用于控制包括压缩机、燃烧器和至少一个涡轮的燃气涡轮的操作点的方法。该方法包括：确定在涡轮的排气口处的废气压力；测量在压缩机处的压缩机压力排放；基于废气压力和压缩机压力排放确定涡轮压力比率；根据涡轮压力比率计算一次至贫-贫模式转换阈值基准曲线，其中，一次至贫-贫模式转换阈值曲线包括这样的点，在该点处，燃气涡轮的操作在一次模式与贫-贫模式之间转变；以及控制燃气涡轮以在一次模式与贫-贫模式之间转变。

附图说明

并入该说明书中并构成其一部分的附图示出了一个或多个实施例，并且与该描述一起解释本发明。在附图中：

图1是常规燃气涡轮的示意图；

图2是在所公开的主题的实施例中考虑的燃气涡轮的示意图；

图3是示出根据示例性实施例的涡轮的废气温度对压力比率的变化的曲线图；

图4是根据示例性实施例的在燃气涡轮的操作点与最佳操作点之间的关系的示意图；

图5是根据示例性实施例的废气温度对涡轮压力比率的平面的示意图；

图6是根据示例性实施例的在图5的平面中的基准废气温度曲线的示意图；

图7是根据示例性实施例的示出用于计算用于涡轮的废气温度设定点的步骤的流程图；

图8至图10是根据示例性实施例的示出燃气涡轮的各种操作模式的示意图；

图11是根据示例性实施例的示出用于计算一次至贫-贫模式转换阈值曲线的步骤的流程图；

图12是根据示例性实施例的示出用于计算一次至贫-贫模式转换阈值曲线的方法的步骤的流程图；以及

图13是用于控制燃气涡轮的控制器的示意图。

具体实施方式

示例性实施例的以下描述参考了附图。不同图中的相同附图标记标识相同或类似的元件。以下详细描述不限制本发明。而是，本发明的范围由所附权利要求限定。为简单起见，关于单一轴燃气涡轮系统的术语和结构讨论了以下实施例。然而，接下来将讨论的实施例不限于这些系统，而是可应用于其它系统，例如多轴燃气涡轮。

在说明书全文中，对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合实施例描述的特定特征、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，在说明书全文中，在不同地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不必指的是相同实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。

如上文关于图1所讨论的，涡轮10的各种参数可以被测量和/或计算以用于确定所需待监测量。这样的量为涡轮的燃烧温度。通过将涡轮的燃烧温度维持在最佳范围内，涡轮的操作被视为平稳并且受控的。当涡轮的燃烧温度离开最佳范围时，控制器18被构造成改变例如压缩机的空气流率和因此的压缩机压力比率，用于调整燃烧温度。可以确定燃烧温度离开最佳范围的事件为例如燃气涡轮的负荷变化或气体燃料组成变化。

然而，接下来将讨论的新颖实施例不依赖用于控制燃气涡轮的传统范例，而是依赖新颖范例，例如，基于涡轮压力比率控制涡轮废气温度。该新颖范例提供了对燃气涡轮的状态的更准确估计，并且也对于在燃气涡轮的功能中所发生的变化(如负荷变化)更敏感。

根据示例性实施例，根据涡轮压力比率确定废气温度，并且监测废气温度和将其保持在一定边界内用于确保燃气涡轮的有效操作，例如，适应基本负荷、低负荷、高负荷等。接下来关于图2讨论关于确定废气温度和涡轮压力比率的更多细节。图2示出了具有压缩机32的燃气涡轮30，压缩机32被构造成通过入口管道36接收流体(如空气)。传感器34可布置在入口管道36处用于测量压力、温度、湿度等中的至少一个。

流体被压缩机32压缩，并且压缩流体经由路径42发送到燃烧器40以与由供给管道44供应的燃料(如天然气)混合。更多传感器34可布置在燃烧器40内或周围用于测量压缩流体和/或燃料的特性。在燃烧器40中的燃烧发生，并且这种燃烧将压缩流体和燃料的混合物的温度升高至燃烧温度。燃料经由供给管道44提供至一次喷燃器(burner)和二次喷燃器，如随后所公开的。阀45a和45b用来将燃料提供至一次喷燃器和二次喷燃器。控制单元70也被构造成调整阀45a和45b以将期望的百分比的燃料提供至一次阀和二次阀。具有高能量的燃烧气体流经由管道52供应至涡轮50，涡轮50可利用轴56机械连接到发电机54。发电机54可产生电能。涡轮50还经由轴58机械连接到压缩机30，从而将所需驱动功率供应至压缩机30。排放气体通过出口管道60从涡轮50排出。入口管道52和出口管道60两者均可由传感器34监测。

来自传感器34的数据被提供至控制单元70。控制单元70可经由输入端口72接收额外数据。基于由控制单元70计算的过程，各种命令经由输出端口74被提供至燃气涡轮30的不同部分，例如，用于使叶片旋转、改变轴的旋转速度等的命令。随后讨论控制单元70的详细结构。

根据示例性实施例，所提出的燃气涡轮的新控制基于在出口60处测量/确定的涡轮废气温度(ttx)对涡轮压力比率(tpr)，涡轮压力比率作为在压缩机32的排放压力与涡轮50的废气压力之间的比率被测量/确定。参照图2，压缩机32的排放压力在点80处测量，并且涡轮50的废气压力在点60处测量。然而，根据示例性实施例，废气压力可以在燃烧器40内、在涡轮50的入口处或在涡轮50内进行测量/估计。随后将更详细地讨论这些压力。应当指出，接下来讨论的用于确定ttx的细节是出于示例性目的，而不是为了限制所公开的主题。

图3示出了(ttx,tpr)平面。在该平面中的每个点可视为属于如图4中所示的集合A。集合A被限定为包括用于基于燃烧模型的燃气涡轮30的操作点。集合A包括点的子集B。这些点如接下来所讨论的那样被确定，并且被限定为用于燃气涡轮30的最佳操作点。

平面(ttx,tpr)中的那些点，即，对应于恒定燃烧温度、恒定速度、恒定IGV角度、恒定空气比湿和恒定抽气条件的集合A中的点可以用曲线90表示，该曲线可具有向上的凹形。涡轮压力比率tpr可随压缩机入口温度而变化。在逼近可以是在tpr = tpr₀处具有密接(osculatory)直线92的抛物线的曲线90时引入的误差较小，并且对于靠近tpr₀的tpr值来说可以忽略。本领域技术人员将认识到，可以使用其它逼近函数。

随着压缩机入口温度、压缩机速度和IGV角度的逐渐改变，曲线90逐渐变化，例如，在其一次导函数中没有任何不连续的情况下。因此，可通过密接直线92的线性插值来逼近可基于ttx计算的恒定燃烧温度轨迹(locus)。

基于以上讨论的集合B中的点，应用随后将讨论的函数f来确定属于集合C的点。集合C的点为按照控制逻辑的用于燃气涡轮操作的设定点。换言之，如随后所讨论的那样计算属于集合C的点，并且燃气涡轮30的操作者控制一些参数用于将燃气涡轮保持在集合C内。图4示出此概念。

根据示例性实施例，函数f可定义为f = g∙h∙l，其中g、h和l为数学函数或算子。例如，g可以是利用合适燃料特性的线性插值，h可以是IGV的角度和燃气涡轮速度的双线性插值，并且l可以是在给定p∙T^{((1- γ )/ γ )}=常数的情况下的多变(polytropic)修正。设定域B，上域C完全通过函数f限定。B中的局部扰动在C中产生局部扰动。根据应用，可以使用更多或更少的函数或不同的函数来限定函数f。换言之，除了以上讨论的函数g、h和l，可以使用其它函数或不同数量的函数。

现在讨论期望被保持用于燃气涡轮30的有效操作的设定ttx温度的确定。假设燃气涡轮可以在以下范围内操作：对于外界温度tamb，考虑tamb_i-1 ≤ tamb ≤ tamb_i的范围，对于IGV角度igv，考虑igv_j-1 ≤igv ≤ igv_j的范围，并且对于燃气涡轮速度tnh，考虑tnh_k-1 ≤ tnh ≤ tnh_k的范围。还假定燃气涡轮被控制在最佳燃烧温度处。基于以上范围，燃气涡轮的操作点可在图5所示(ttx, tpr)空间内通过用以下点所限定的曲线来表示。对于贫燃料并且对于最低外界温度，存在四个点A1至A4；对于贫燃料并且对于最高外界温度，存在四个点B1至B4；对于富燃料并且对于最低外界温度，存在四个点C1至C4；对于富燃料并且对于最高外界温度，存在四个点D1至D4。点的数量可以根据插值函数的性质而改变。

贫燃料和富燃料限定如下。用于工业应用的燃气涡轮使用包括90%以上CH₄的天然气。天然气被视为富气燃料。将天然气与例如氮气、二氧化碳和氩气的惰性气体掺混，产生更贫的气体燃料，即较低LHV值(LHV为气体的低热值，并且描述了通过燃烧气体可从单位质量气体中获得的能量的量)。富燃料可通过将天然气与例如乙烷、丙烷和/或丁烷的更重的烃掺混而获得。

对于以上讨论的点集合中的每一个来说，使用两次双线性插值(以上讨论的函数g)来计算中心点(A5、B5、C5和D5)。双线性插值是线性插值的扩展，用于在规则网格上内插两个变量的函数。双线性插值首先在一个方向上进行线性插值，并且然后在另一方向上再次进行插值。点A5至B5限定了用于贫气的温度控制曲线100，并且点C5和D5限定了用于富气的温度控制曲线102。如以上讨论地，可以使用除双线性插值以外的其它函数。

基于LHV_{actual gas}、LHV_{rich gas}和LHV_{lean gas}，通过使用对应于在两个控制曲线100和102上的实际压力比率的两个纵坐标的线性插值(以上讨论的函数h，或在其它应用中的其它函数)来确定ttx_{set point}。

如果为所考虑参数的其它条件和/或值计算更多点，则可确定更多ttx_{set point}。绘制这些点对对应tpr比率得到在图6中所示的基准废气温度曲线104。可注意到基准废气温度曲线104位于两个控制曲线100与102之间。根据示例性实施例(未示出)，曲线104平行于曲线100和102。

用于计算ttx_{set point}的步骤可以表示在图7所示的框图中。根据该图，数据选择器单元110接收作为输入的外界温度tamb、叶片的旋转角度IGV、轴的旋转速度tnh和富气矩阵数据。富气矩阵数据的示例为：

ttxr

并且用于富气的涡轮压力比率矩阵给出如下：

tprr

八个点C1至C4和D1至D4(图5中示出)为通过数据选择器单元110的输出。该输出被提供为到插值器单元112的输出。由数据选择器单元114对相同参数重复相同过程，不同的是使用贫气矩阵数据来代替富气矩阵数据。将插值器112和116的输出，即，富气ttx对tpr实际控制曲线和贫气ttx对tpr实际控制曲线，作为输入提供给计算单元118以用于计算两个ttx设定点。线性插值器120接收这两个ttx设定点并将它们进行插值以产生最终点ttx_{set point}。基于线性插值器120的输出，点火单元122可以计算燃气涡轮的ttx_{set point}的变化。应当指出，线性插值器120和点火单元122可以直接接收关于燃料气LHV的信息。

具有了ttx_{set point}，则可以对控制器70编程以监测该值并调整燃气涡轮30的各种参数(例如，IGV的角度、燃料量等)，以将ttx_{set point}保持在用于燃气涡轮的有效操作的预定范围内。在使用单一轴燃气涡轮的一个示例性实施例中，可通过控制IGV角度来调整ttx_{set point}。现在计算期望燃气涡轮遵循的基准废气温度曲线ttxh 104。

考虑标识燃气涡轮操作参数的三个向量。这些向量为tamb、igv和tnh，并且它们对应于外界温度、IGV叶片的角度和轴的旋转速度。这三个向量的数学表达为：

tamb= [tamb_i] = [tamb₁, tamb₂, ... , tamb₇]

其中下标i为：

2，若tamb < tamb₂

3，若tamb₂ ≤ tamb < tamb₃

4，若tamb₃ ≤ tamb < tamb₄

5，若tamb₄ ≤ tamb < tamb₅

6，若tamb₅ ≤ tamb < tamb6

7，若tamb₆ ≤ tamb，

其中，tamb为实际外界温度。

igv角度向量被定义为：

igv = [igv_j] = [igv₁, igv₂, ... , igv₆]，其中下标j为：

2，若igv < igv₂

3，若igv₂ ≤ igv < igv₃

4，若igv₃ ≤ igv < igv₄

5，若igv₄ ≤ igv < igv₅

6，若igv₅ ≤ igv，

其中，igv为实际igv角度。

tnh轴速度向量被定义为：

tnh = [tnh_k] = [tnh₁, tnh₂, tnh₃, tnh₄]，其中下标k为：

2，若tnh < tnh₂

3，若tnh₂ ≤ tnh < tnh₃

4，若tnh₃ ≤ tnh，

其中，tnh为实际轴速度百分比。i、j和k的值随应用不同而不同，并且可包括大量可能性。

引入四个3D矩阵以计算基准废气温度曲线ttxh，即，操作者用来控制燃气涡轮的基准曲线。根据一个示例性实施例，ttxh可看作燃气涡轮在最佳ttx和tpr值下操作的点的轨迹。四个矩阵为废气温度贫燃料矩阵ttxl、压力比率贫燃料矩阵tprl、废气温度富燃料矩阵ttxr和压力比率富燃料tprr。这些矩阵的元素列举如下：

对于贫燃料，ttxl = [ttxl_i,j,k]，

对于贫燃料，tprl = [tprl_i,j,k]，

对于富燃料，ttxr = [ttxr_i,j,k]，并且

对于富燃料，tprr = [tprr_i,j,k]。

假设实际操作条件tamb、igv和tnh在tamb_i-1 ≤ tamb < tamb_i、igv_j-1 ≤ igv < igv_j、和tnh_k-1 ≤ tnh < tnh_k的范围内，则实际基准曲线ttxh给出如下：

ttxh = ttxha + Δttxh，

其中，ttxha限定了用于在最佳ttx和tpr点处的燃气涡轮操作的基准曲线，但也考虑了压缩机入口压力和燃气涡轮废气压降，并且Δttxh为ttxha的修正量，其用来在涡轮的入口压降和废气压降变化的同时将涡轮燃烧温度保持在最佳值。

基准曲线ttxha被定义为：

ttxha = ttxhr ∙ (LHV - LHVl) / (LHVr – LHVl) + ttxhl ∙ (LHVr - LHV) / (LHVr – LHVl)，

其中，限定ttxha的参数定义如下：

ttxhr = ttxr_i-1 + (ttxr_i - ttxr_i-1) / (tprr_i - tprr_i-1) ∙ (tpr-tprr_i-1)，

ttxhl = ttxl_i-1 + (ttxl_i -ttxl_i-1) / (tprl_i - tprl_i-1) ∙ (tpr-tprl_i-1)，

LHV为实际燃料的低热值，

LHVl为贫燃料的低热值，

LHVr为富燃料的低热值。

应用以下双线性插值：

ttxl_i-1 = BilinearInterpolation(ttxl_i-1,_j-1,_k-1, ttxl_i-1,_j,_k-1, ttxl_i-1,_j,_k, ttxl_i-1,_j-1,_k, igv, tnh) = ttxl_i-1,j-1,k-1 (igv_j - igv) / (igv_j - igv_j-1) ∙ (tnh_k - tnh) / (tnh_k - tnh_k-1) + ttxl_{i-1,j, k-1} ∙ (igv - igv_j-1) / (igv_j - igv_j-1) ∙ (tnh_k - tnh) / (tnh_k - tnh_k-1) + ttxl_i-1,j,k ∙ (igv - igv_j-1) / (igv_j - igv_j-1) ∙ (tnh - tnh_k-1) / (tnh_k - tnh_k-1) + ttxl_i-1,j-1,k ∙ (igv_j - igv) / (igv_j - igv_j-1) ∙ (tnh - tnh_k-1) / (tnh_k - tnh_k-1)，

ttxl_i = BilinearInterpolation(ttxl_i,j-1,k-1, ttxl_i,j,k-1, ttxl_i,j,k, ttxl_i,j-1,k, igv, tnh) = ttxl_i,j-1,k-1 ∙ (igv_j - igv) / (igv_j - igv_j-1) ∙ (tnh_k - tnh) / (tnh_k - tnh_k-1) + ttxl_{i,j, k-1} ∙ (igv - igv_j-1) / (igv_j - igv_j-1) ∙ (tnh_k - tnh) / (tnh_k - tnh_k-1) + ttxl_i,j,k ∙ (igv - igv_j-1) / (igv_j - igv_j-1) ∙ (tnh - tnh_k-1) / (tnh_k - tnh_k-1) + ttxl_i,j-1,k ∙ (igv_j - igv) / (igv_j - igv_j-1) ∙ (tnh - tnh_k-1) / (tnh_k - tnh_k-1)，

tprl_i-1 = BilinearInterpolation(tprl_i-1,j-1,k-1, tprl_i-1,j,k-1, tprl_i-1,j,k, tprl_i-1,j-1,k, igv, tnh) = tprl_i-1,j-1,k-1 ∙ (igv_j - igv) / (igv_j- igv_j-1) ∙ (tnh_k - tnh) / (tnh_k - tnh_k-1) + tprl_i-1,j,k-1 ∙ (igv - igv_j-1) / (igv_j - igv_j-1) ∙ (tnh_k - tnh) / (tnh_k - tnh_k-1) + tprl_i-1,j,k ∙ (igv – igv_j-1) / (igv_j – igv_j-1) ∙ (tnh -tnh_k-1) / (tnh_k - tnh_k-1) + tprl_i-1,j-1,k ∙ (igv_j - igv) / (igv_j – igv_j-1) ∙ (tnh - tnh_k-1) / (tnh_k – tnh_k-1)，

tprl_i = BilinearInterpolation(tprl_i,j-1,k-1, tprl_i,j,k-1, tprl_i,j,k, tprl_i,j-1,k, igv, tnh)= tprl_i,j-1,k-1 ∙ (igv_j - igv) / (igv_j – igv_j-1) ∙ (tnh_k - tnh) / (tnh_k - tnh_k-1) + tprl_{i,j, k-1} ∙ (igv - igv_j-1) / (igv_j - igv_j-1) ∙ (tnh_k - tnh) / (tnh_k - tnh_k-1) + tprl_i,j,k ∙ (igv – igv_j-1) / (igv_j – igv_j-1) ∙ (tnh - tnh_k-1) / (tnh_k - tnh_k-1) + tprl_i,j-1,k ∙ (igv_j - igv) / (igv_j – igv_j-1) ∙ (tnh - tnh_k-1) / (tnh_k - tnh_k-1)，

ttxr_i-1 = BilinearInterpolation (ttxr_i-1,j-1,k-1, ttxr_i-1,j,k-1, ttxr_i-1,j,k, ttxr_i-1,j-1,k, igv, tnh)=ttxr_{i-1,j-1,k-1 ∙} (igv_j - igv) / (igv_j – igv_j-1) ∙ (tnh_k - tnh) / (tnh_k - tnh_k-1) + ttxr_i-1,j,k-1 ∙ (igv - igv_j-1) / (igv_j - igv_j-1) ∙ (tnh_k - tnh) / (tnh_k - tnh_k-1) + ttxr_i-1,j,k ∙ (igv – igv_j-1)/ (igv_j – igv_j-1) ∙ (tnh - tnh_k-1) / (tnh_k - tnh_k-1) + ttxr_i-1,j-1,k ∙ (igv_j - igv) / (igv_j – igv_j-1) ∙ (tnh - tnh_k-1) / (tnh_k - tnh_k-1)，

ttxr_i = BilinearInterpolation(ttxr_i,j-1,k-1, ttxr_i,j,k-1, ttxr_i,j,k, ttxr_i,j-1,k, igv, tnh)= ttxr_i,j-1,k-1 ∙ (igv_j - igv) / (igv_j – igv_j-1) ∙ (tnh_k - tnh) / (tnh_k - tnh_k-1) + ttxr_i,j,k-1 ∙ (igv – igv_j-1) / (igv_j – igv_j-1) ∙ (tnh_k - tnh) / (tnh_k - tnh_k-1) + ttxr_i,j,k ∙ (igv – igv_j-1) / (igv_j – igv_j-1) ∙ (tnh - tnh_k-1) / (tnh_k - tnh_k-1) + ttxr_i,j-1,k ∙ (igv_j - igv) / (igv_j – igv_j-1) ∙ (tnh - tnh_k-1) / (tnh_k - tnh_k-1)，

tprr_i-1 = BilinearInterpolation(tprr_i-1,j-1,k-1, tprr_i-1,j,k-1, tprr_i-1,j,k, tprr_i-1,j-1,k, igv, tnh)= tprr_i-1,j-1,k-1 ∙ (igv_j - igv) / (igv_j – igv_j-1) ∙ (tnh_k - tnh) / (tnh_k - tnh_k-1) + tprr_i-1,j,k-1 ∙ (igv - igv_j-1) / (igv_j - igv_j-1) ∙ (tnh_k - tnh) / (tnh_k - tnh_k-1) + tprr_i-1,j,k ∙ (igv – igv_j-1) / (igv_j – igv_j-1) ∙ (tnh - tnh_k-1) / (tnh_k - tnh_k-1) + tprr_i-1,j-1,k ∙ (igv_j - igv) / (igv_j – igv_j-1) ∙ (tnh - tnh_k-1) / (tnh_k - tnh_k-1)，以及

tprr_i = BilinearInterpolation(tprr_i,j-1,k-1, tprr_i,j,k-1, tprr_i,j,k, tprr_i,j-1,k, igv, tnh)= tprr_i,j-1,k-1 ∙ (igv_j - igv) / (igv_j – igv_j-1) ∙ (tnh_k - tnh) / (tnh_k - tnh_k-1) + tprr_i,j,k-1 ∙ (igv - igv_j-1) / (igv_j - igv_j-1) ∙ (tnh_k - tnh) / (tnh_k - tnh_k-1) + tprr_i,j,k ∙ (igv – igv_j-1)/ (igv_j – igv_j-1) ∙ (tnh - tnh_k-1) / (tnh_k - tnh_k-1) + tprr_i,j-1,k ∙ (igv_j - igv) / (igv_j – igv_j-1) ∙ (tnh - tnh_k-1) / (tnh_k - tnh_k-1)。

修正量Δttxh给出为：

Δttxh = ttxh ∙ ((pamb_actual + Δp_{exhaust ref}) / (pamb_actual + Δp_exhaust))^{( γ / (1- γ ) ) – 1)} + ((pamb_actual - Δp_{inlet ref}) / (pamb_actual - Δp_inlet))^{( γ / (1- γ ) ) - 1)})，其中，γ = a ∙ tpr + b，a和b为常数，并且使得γ适合燃气涡轮多变膨胀(p ∙ t^{((1 - γ )/ γ )} = 常数)。

除了别的以外，修正量Δttxh考虑了实际燃气涡轮废气压降和入口压降。由于燃气涡轮温度控制曲线(例如ttxh)取决于基准废气压降Δp_{exhaust ref}和基准入口压降Δp_{inlet ref}，所以可通过使用例如函数Δttxh来针对不同的废气压降和入口压降修正这些曲线。

由于压缩机入口处的污垢量，实际入口压降值Δp_inletact可以被测量，而不是估计。换言之，压缩机入口系统压降取决于流动条件并且取决于入口过滤器中的污垢，定期的污垢沉积和移除可导致入口压降随时间推移的不可预测的波动。在应用中，如果例如由于热量计故障或校准问题而不存在LHV信号，则控制器70可被构造成使用LHV_default来取代实际LHV。

当如上文所指应用于在容许范围的各个点i、j和k处的例如IGV角度和轴旋转速度的燃气涡轮参数时，以上双线性插值、线性插值和多变膨胀将生成在基准曲线ttxh上的ttx_{set point}。在一个示例性实施例中，为燃气涡轮对各种条件计算多个ttx_{set point}，并且所有这些点ttx_{set point}都是ttxh曲线的一部分。可根据ttxh确定其它基准曲线，如接下来所讨论地。这些额外基准曲线也可用来控制燃气涡轮的操作。

根据示例性实施例，可使用基准废气温度对压缩机压力比率曲线TTRX来控制燃气涡轮。TTRX曲线可定义为TTRX = Min(Isotherm_NO, ttxh)，其中Isotherm_NO被定义为燃气涡轮在正常操作条件下的等温线。在一个应用中，Isotherm_NO表示涡轮转子可暴露于的最高温度。用于废气温度对IGV的控制曲线可定义为TTRXGV = TTRX。用于废气温度对燃料的控制曲线可定义为TTRXB = TTRXB_NO(若峰值负荷模式关闭)和TTRXB = TTRXB_PK(若峰值负荷模式开启)。峰值负荷模式被定义为在恒定操作条件(外界温度、压力、轴速度、IGV位置和燃料气体组成)下运行且输送高于标称功率的功率的燃气涡轮。该条件出现在燃气涡轮的操作燃烧温度高于标称温度时。TTRXB_NO由TTRX + Min((IGV_max - IGV_{set point}) ∙ Δ1, Δ2)给出，其中Δ2为限制Min函数的值的值，并且TTRXB_PK由Min(Isotherm_PK, ttxh + ΔPK)给出。

ΔPK给出如下：

ΔPK = Δttxr ∙ (LHV -LHVl) / (LHVr - LHVl) + Δttxl ∙ (LHVr - LHV) / (LHVr - LHVl)，其中，LHV为实际燃料的最低发热值，

LHVl为贫燃料的最低发热值，

LHVr为富燃料的低热值，

Δttxl = Δttxl_i-1 + (Δttxl_i - Δttxl_i-1) ∙ (tamb – tamb_i-1) / (tamb_i - tamb_i-1)，并且

Δttxr = Δttxr_i-1 + (Δttxr_i-1 - Δttxr_i-1) ∙ (tamb – tamb_i-1) / (tamb_i - tamb_i-1)。

以上经由IGV的废气温度控制和经由燃料曲线的废气温度控制可按照以下方式在燃气涡轮控制中使用。可通过改变例如涡轮的轴的速度、IGV的角度(该值直接控制提供至压缩机的空气量)、提供至燃烧器的燃料量、提供至燃烧器的燃料/空气比率等来控制燃气涡轮。根据一个示例性实施例，对于单一轴燃气涡轮，IGV的角度首先用来控制燃气涡轮的操作，即，将ttx_{act point}保持在以上计算的ttxh曲线上(在ttx对tpr的平面中)。换言之，当实际ttx_{act point}由于燃气涡轮的各种条件(例如，负荷变化)而偏离ttxh曲线时，第一控制调整IGV的角度以使燃气涡轮的ttx_{act point}达到ttx_{set point}。然而，该控制可达到饱和点(saturation point)，即，IGV的角度不可以进一步改变或不期望进一步改变的点。在该点处，将提供给燃气涡轮的燃料的量可以变化，直到ttx_{act point}变得与ttx_{set point}重合为止。如果该控制变得饱和，则可以改变由压缩机提供的流体与喷入燃烧器的燃料之间的比率，从而限制燃料流率并进一步调节ttx_{act point}。

为了完全确定在ttx对tpr平面中的ttxh曲线，接下来讨论涡轮压力比率tpr的确定。燃气涡轮废气压力的估计比测量更容易。虽然可以测量涡轮压力比率tpr中所涉及的压力，但优选的是如接下来讨论的那样计算tpr，因为该值比测量的tpr更准确。就这一点而言，应当指出，涡旋可能出现在燃气涡轮中的位置80和60处，这使得测量压力较不准确，因为该值可以在较小的距离内变化。可以基于烟道压降、废气数据和外界压力的特性进行估计。根据示例性实施例，基于估计的废气压降和绝对压缩机排放压力来确定涡轮压力比率tpr。在一个实施例中，废气压降在点60处确定(参见图2)，而绝对压缩机排放压力则在点80处确定(参见图2)。在另一个实施例中，对于具有多个级的压缩机来说，绝对压缩机排放压力在末级下游的排放扩散器之后确定。根据该示例性实施例，绝对压缩机排放压力被测量。

根据示例性实施例，废气压降由两项组成：由涡轮50的烟道中流动的物质而导致的压降和由烟囱效应而导致的压力恢复。如果在燃气涡轮排气口和到大气的烟道排放处之间存在高度差，则可能出现烟囱效应。第一项由a_a ∙ ρ_exhaust ∙ v²给出，并且第二项由(ρ_air - ρ_exhaust) ∙ Δh给出。随后提供此计算中使用的每个常数、参数和变量的意义。因此，由烟道中流动的物质所导致的总废气压降可表达为：

Δp_exhaust = a_a ∙ p_exhaust ∙ v² - (ρ_air - ρ_exhaust) ∙ Δh，该式可以改写为

a_a ∙ ρ_exhaust ∙ v² = a_a ∙ ρ_exhaust ∙ (W_exhaust / (ρ_exhaust ∙ a_b))² =

a_a ∙ (W_exhaust / a_b)² / ρ_exhaust = a / ρ_exhaust ∙ W_exhaust ²。

为了简化该表达式，假设烟道中的气体的密度ρ与实际废气压降无关，并且仅取决于排放压力，该压力在这里为外界压力，因为假设废气压降仅为外界压力的一小部分。因此，由这种简化所引入的误差可忽略不计。废气密度ρ_exhaust可表达为：

ρ_exhaust = ρ_{exhaust ref} ∙ ttx_ref / ttx_act ∙ pamb_act / pamb_ref。

外界空气密度可表达为：

ρ_air = ρ_{air ref} ∙ tamb_ref / tamb_act ∙ pamb_act / pamb_{ref ，}

其中：

ρ_exhaust为处于ttx_act温度和pamb_act外界压力下的废气密度，

ρ_{exhaust ref}为处于ttx_ref温度和pamb_ref外界压力下的废气密度，

ρ_air为处于实际压力和温度下的外界空气密度，

ρ_{air ref}处于基准压力和温度下的外界空气密度，

Δh为在燃气涡轮排气口与到大气的烟道排放处之间的高度差，

v为烟道内部的废气速度，

ttx_ref为基准废气压力，

ttx_act为实际废气温度，

pamb_ref为基准外界压力，

pamb_act为实际外界压力，

Wexhaust_act为实际废气质量流率，并且

a为对于特定废气管道典型的常数。

在该示例性实施例中，假设废气组成在预混合模式操作中大致不变，并且因此，其密度在给定温度下大致不变。

废气质量流率可以估计如下。假设压缩机空气质量流率与压缩机压力比率无关，因为由这种假设引入的误差对于废气压降估计的目的而言可忽略不计。燃气涡轮的轴向压缩机空气质量流率可通过以下传递函数来估计：

Wair_act = SG_ha ∙ pinlet_act / pinlet_ref ∙ (f₃ ∙ x³ + f₂ ∙ x² + f₁ ∙ x + f₀) ∙ f₄ ∙ Wair_ref ∙ k，

其中

f₀ = a₀ ∙ y³ + b₀ ∙y² + c₀ ∙ y，

f₁ = a₁ ∙ y³ + b₁ ∙y² + c₁ ∙ y，

f₂ = a₂ ∙ y³ + b₁ ∙y² + c₂ ∙ y，

f₃ = a₃ ∙ y³ + b₁ ∙y² + c₃ ∙ y，

f4 = a₄₁ ∙z³ + b₄₁ ∙ z² + c₄₁ ∙ z + d₄₁ ，若 tnh_act / tnh_ref < tnh_threshold，

a₄₂ ∙ z³ + b₄₂ ∙ z² + c₄₂ ∙ z + d₄₂ ，若 tnh_act / tnh_ref ≥ tnh_threshold，

x = igv_act / igv_ref，

y = tnh_act / tnh_ref ∙ (tinlet_ref / tinlet_act)^0.5，

z = tnh_act / tnh_ref ∙ (tinlet_ref / tinlet_act)，并且

a_i和a_ij为针对具体应用的常数。

由于燃气涡轮装有IBH系统，在一些部分负荷操作条件下，压缩机空气质量流率的一部分被再循环并且不进入废气管道。此外，燃料气体质量流率完全进入通过废气管道。因此，Wexhaust_act = Wair_act ∙ (1- IBH_fraction) + Wfuel_act。在该示例性实施例中，已经假设到支承件的空气补偿了来自冷却鼓风机的空气。

考虑到在燃气涡轮受到废气温度控制时并且燃料/空气质量比率对于特定的燃料气体组成基本上恒定，故燃料/空气质量流率可估计如下：

fa_ratio = Wfuel_act / Wair_act = Wfuel_ref / Wair_ref ∙ LHV_ref / LHV_act = fa_{ratio ref} ∙ LHV_ref / LHV_act。

IBH_fraction是由控制面板生成的设定点，并且在系统不出现故障时受到控制。于是，废气质量流率可估计为：

Wexhaust_act = Wair_act ∙ (1 - IBH_fraction) ∙ (1 + fa_{ratio ref} ∙ LHV_ref / LHV_act)。

湿空气的比重SG_ha可基于比湿估计如下：

SG_ha = ρ_ha / ρ_da，

m_ha = m_da + m_wv，

m_da = m_ha ∙ (1-sh)，

m_wv = m_ha ∙ sh，并且

v_ha = m_ha / ρ_ha = m_da / ρ_da + m_wv / ρ_wv。

用ρ_ha乘以最后一个表达式，获得下式：

m_ha = m_da ∙ ρ_ha / ρ_da + m_wv ∙ ρ_ha / ρ_wv，其中

ρ_ha / ρ_da = SG_ha且ρ_ha / ρ_wv= ρ_ha ∙ ρ_da / ρ_da ∙ ρ_wv = SG_ha / SG_wv。

因此，

m_ha = m_da ∙ ρ_ha / ρ_da + m_wv ∙ ρ_ha / p_wv = m_da ∙ SG_ha + m_wv ∙ SG_ha / SG_wv，或

m_ha = (1-sh) ∙ m_ha ∙ SG_ha + sh ∙ m_ha ∙ SG_ha / SG_wv。

将最后一个表达式除以m_ha

1= (1-sh) ∙ SG_ha + sh ∙ SG_ha / SG_wv，或

SG_wv = SG_ha ∙ ((1-sh) ∙ SG_wv + sh)。

最后，

SG_ha = SG_wv / ((1-sh) ∙ SG_wv + sh)。

如果比湿信号不可得或变送器处于故障模式，则比湿信号可由通过表1所示数据的插值所生成的比湿比外界温度的曲线来代替：

表1

以上计算中使用了以下符号：

pinlet_act为在压缩机入口处的实际空气压力，

pinlet_ref为在压缩机入口处的基准空气压力，

tamb为外界温度，

tinlet_act为在压缩机入口处的实际空气温度，它可以用至少两个热电偶测量，使得热电偶的最大读数被视为tinlet_act，或者在一个热电偶故障和/或读数差过大(例如，10F)的情况下，tamb被视为tinlet_act，

tinlet_ref为在压缩机入口处的基准空气温度，

tnh_act为压缩机实际速度，

tnh_ref为压缩机基准速度，

igv_act为实际igv角度，

igv_ref为基准igv角度，

Wair_act为在压缩机入口处的实际空气质量流率，

Wair_ref为在压缩机入口处的基准空气质量流率，

Wexhaust_act为实际废气质量流率，

Wfuel_act为燃料质量流率，

IBH_fraction为从压缩机排放处抽出的空气的分数，

fa_{ratio ref}为基准燃料空气质量比率，

LHV_ref为基准气体燃料的LHV，

LHV_act为实际气体燃料的LHV，

sh为空气比湿，

SG_xx为xx的比重(参见以下所列下标)，

ρ_xx为xx的密度(参见以下所列下标)，

m_xx为xx的质量(参见以下所列下标)，

Vxx为xx的体积(参见以下所列下标)，

ha为湿空气，

wv为水蒸汽，并且

da为干空气。

在已经计算比重、通过压缩机的质量流率和如以上讨论的其它参数之后，现在可计算涡轮压力比率tpr。用于计算tpr的算法可归纳如下：

在sh信号有效且可得时，将SG_ha计算为SG_wv / ((1-sh) ∙ SG_wv + sh)，在sh变送器信号故障时，计算为sh_default；

假设x = igv_act / igv_ref, y = tnh_act / tnh_ref ∙ (tinlet_ref / tinlet_act)^0.5，且z = tnh_act / tnh_ref ∙ (tinlet_ref / tinlet_act)；

f₀ = a₀ ∙ y³ + b₀ ∙y² + c₀ ∙ y，

f₁ = a₁ ∙ y³ + b₁ ∙y² + c₁ ∙ y，

f₂ = a₂ ∙ y³ + b₁ ∙y² + c₂ ∙ y，

f₃ = a₃ ∙ y³ + b₁ ∙y² + c₃ ∙ y，

f4 = a₄₁ ∙z³ + b₄₁ ∙ z² + c₄₁ ∙ z + d₄₁ ，若tnh_act / tnh_ref < tnh_threshold，并且

a₄₂ ∙ z³ + b₄₂ ∙ z² + c₄₂ ∙ z + d₄₂，若tnh_act / tnh_ref ≥ tnh_threshold；

定义Wair_act = SG_ha ∙ pinlet_act / pinlet_ref ∙ (f₃ ∙ x³ + f₂ ∙ x² + f₁ ∙ x + f₀) ∙ f₄ ∙ Wair_ref ∙ k，

估计Wexhaust_act = Wair_act ∙ (1-IBH_fraction) ∙ (1 + fa_{ratio ref} ∙ LHV_ref / LHV_act)，

计算ρ_air = ρ_{air ref} ∙ tamb_ref / tamb_act ∙ pamb_act / pamb_ref，

计算ρ_exhaust = ρ_{exhaust ref} ∙ ttx_ref / ttx_act ∙ pamb_act / pamb_ref。

计算Δp_exhaust = a_a ∙ ρ_exhaust ∙ v² - (ρ_air - ρ_exhaust) ∙ Δh，并且

估计tpr = cpd / (pamb_act + Δp_exhaust)，其中cpd为绝对压缩机排放压力，该值在此应用中测量。

因此，ttxh曲线104(参见图6)在此阶段被完全确定。如果已针对基准废气压降Δp_{exhaust ref}和基准入口压降Δp_{inlet ref}设置了用于燃气涡轮的温度控制曲线，则可通过使用修正量Δttxh来对不同的废气压降和入口压降(例如实际值)修正温度控制曲线，如上面已讨论地。

现在讨论以上所述温度控制逻辑的一个或多个优点。由于以上开发的用于控制燃气涡轮的整个程序是基于矩阵的，因此该程序是灵活的且允许容易的现场调试。该程序可基于实际燃料的LHV(或其它燃料特性，如果不同地指定)而在正常负荷操作和峰值负荷操作期间偏置受控废气温度。基于这种偏置，可更好地控制污染物排放、燃烧动态性和燃烧器的减负荷边际。

当峰值模式被启用时，如果基本负荷功率足够覆盖从动机械的功率需求，则燃气涡轮可以保持在正常燃烧温度，如果基本负荷功率不能覆盖从动机械的功率需求，则燃气涡轮可以保持在过度燃烧状态。峰值点火值可通过燃料特性偏置。基于这种“智能”行为，峰值模式保持始终被启用，可将燃气涡轮构造成在修正沃泊指数(MWI)基本负荷变化的情况中更具响应能力和/或从任何操作点开始进行较大的负荷增加(最大旋转备用)。

MWI由LHV_gas/(SG_gas · T_gas)^0.5给出，其中LHV_gas为气体的低热值，SG_gas为气体的比重，并且T_gas为燃料气体的温度。

以上示例性实施例已经描述了基于废气温度基准曲线来控制燃气涡轮。然而，为了改进燃气涡轮控制，可以计算其它参数和曲线。接下来讨论的一个这样的示例是一次至贫-贫模式转换阈值曲线ttxth。

在计算ttxth曲线之前，讨论燃气涡轮的模式。然而，为了更好地理解模式，下面关于燃气涡轮的讨论被认为是合适的。根据一个示例性实施例，图2所示燃烧器40可具有图8所示的结构。更具体而言，燃烧器40可具有包封一次喷燃器112和至少二次喷燃器114的壁110。可以使用一个或多个二次喷燃器114。一次喷燃器112和二次喷燃器114两者可经由对应燃料供应管线116和118连接到一个或多个燃料源(未示出)。一次喷燃器112将燃料喷射到一次区域120，其中燃料与由压缩机32供应的流体(例如，空气、氧气等)接触并点燃，导致在一次区域120中产生火焰124。二次喷燃器114将燃料喷射到二次区域126，其中在存在来自压缩机的流体的情况下可通过点燃来自二次喷燃器114的额外燃料而产生额外火焰。

燃气涡轮的操作模式可以分组为主模式和子模式。主模式通过供应至一次喷燃器和/或二次喷燃器的燃料量和点燃发生的区域来表征。主模式为一次模式、贫-贫模式和预混合模式。其它模式可根据应用、涡轮的类型等限定和使用。一次模式在图8中示出且特征在于多于一半的燃料被供应至一次喷燃器112且大部分火焰存在于一次区域120中。少量燃料或没有燃料被供应至二次喷燃器114。在一种应用中，所有燃料都被供应至一次喷燃器，并且没有燃料被供应至二次喷燃器。在燃气涡轮起动或加负荷直至基本负荷的第一预定百分比时，使用一次模式。第一预定百分比取决于应用。在一个示例性实施例中，第一预定百分比为基本负荷的大约20%。一次模式为扩散火焰模式，即，燃料在点燃之前不与氧化剂(如空气)预混合。这与预混合模式形成对比，在预混合模式中，燃料在点燃之前与氧化剂预混合。贫-贫模式可包括在扩散火焰模式下操作的喷燃器和在预混合模式下操作的喷燃器。

当负荷增加至第一预定百分比以上，并且负荷在第一预定百分比与第二预定百分比之间时，燃气涡轮的操作模式变为贫-贫模式。在一个示例性实施例中，第二预定百分比为75%，但可根据应用而具有不同的值。另外，对于贫-贫模式来说，二次喷燃器114如图9所示启动，并且大约60%的燃料被供应至一次喷燃器，并且大约40%的燃料被供应至二次喷燃器。然而，百分比是出于示意性目的，并且它们可以因应用不同而变化。对于该模式来说，在一次区域120和二次区域126两者中都存在火焰。

当负荷增加至第三预定百分比时，燃气涡轮的模式进一步变为预混合模式，第三预定百分比可以是例如约80%至100%。在该阶段，大部分燃料被提供给一次喷燃器112，而剩余燃料则被提供给二次喷燃器114。然而，应当指出，火焰已从一次区域120移动至二次区域126，如图10所示。在该模式下，燃气涡轮以最低的排放(即，低NOx/CO污染物)操作。

以上讨论的主模式的相关子模式如下：用于贫-贫模式的(1)贫-贫预填充，(2)贫-贫瞬态，和(3)贫-贫稳态，以及用于预混合模式的(1)预混合二次，(2)预混合瞬态，和(3)预混合稳态。每种模式和子模式具有触发其启动的特定条件。每次只能有一种操作模式起作用。

接下来，讨论如何计算用于从一次模式过渡至贫-贫模式的阈值曲线ttxth。贫-贫至预混合模式转换阈值基于以上关于图5和图6计算的ttxh曲线。类似于基准ttxh曲线那样计算阈值曲线ttxth，即，tamb、igv和tnh向量基于这些参数的各种范围而被限定，生成标识涡轮废气温度和压力比率的3D矩阵ttxtl、tprtl、ttxtr和tprtr，并且基于公式ttxth = ttxtha + Δttxth计算实际阈值曲线ttxth。3D矩阵的元素，例如ttxtl_i,j,k，是当燃料气体为贫燃料气体、当外界温度为tamb_i、当IGV角度为igv_j且当燃气涡轮速度为tnh_k时用于一次至贫-贫转换的废气温度阈值。应当指出，就数学程序而言，计算ttxh和ttxth之间的区别为附加符号“t”。因此，出于这个原因，不再次重复用于计算ttxth的整个算法，而是假设其为用于计算ttxh的算法。虽然用于计算ttxh和ttxth曲线的算法相同，但这两个曲线的值的差由3D矩阵ttxtl、tprtl、ttxtr和tprtr的具体值来确定，即，

ttxtl=[ttxtl_i,j,k]，对贫燃料，

tprtl=[tprtl_i,j,k]，对贫燃料，

ttxtr=[ttxtl_i,j,k]，对富燃料，以及

tprtr=[tprtl_i,j,k]，对富燃料。

此外，如上文结合ttxh所讨论的，其它函数f可用来计算ttxth曲线。

类似于Δttxh修正，Δttxth修正用来考虑实际燃气涡轮的废气压降和入口压降。燃气涡轮的温度控制曲线涉及基准废气压降Δp_{exhaust ref}和基准入口压降Δp_{inlet ref}。类似于基准曲线ttxh，可通过使用修正量Δttxth来针对不同的废气压降和入口压降修正阈值曲线ttxth。

根据示例性实施例，图11示出了概述用于确定Δttxth而进行的计算的流程图。根据此图，数据选择器单元140接收作为输入的外界温度tamb、叶片旋转角度IGV、轴的旋转速度tnh和富气矩阵数据(上文关于ttxh限定)。由数据选择器单元140输出类似于C1至C4和D1至D4(图5中示出)的八个点。根据所选函数，可以使用更多或更少的点。该输出作为输入提供给双线性插值器单元142。由数据选择器单元144对相同参数重复相同过程，不同的是使用贫气矩阵数据来代替富气矩阵数据。来自数据选择器单元144的输出作为输入提供给插值器单元146。将来自插值器142和146的输出，即，富气ttxth对tprt实际控制曲线和贫气ttxth对tprt实际控制气体，作为输入提供给计算单元148用于计算两个ttxth设定点。线性插值器150接收两个ttxt设定点并计算燃气涡轮的ttxth阈值。应当指出，线性插值器150可直接接收关于燃料气体LHV的信息，同时插值器单元142和146可以直接接收igv和tnh数据。

根据图12所示的示例性实施例，存在用于控制包括压缩机、燃烧器和连接到彼此的至少一个涡轮的燃气涡轮的操作点的方法。该方法包括：确定在涡轮的排气口处的废气压降的步骤1200；测量在压缩机处的压缩机压力排放的步骤1202；基于废气压降和压缩机压力排放确定涡轮压力比率的步骤1204；根据涡轮压力比率计算一次至贫-贫模式转换阈值基准曲线的步骤1206，其中一次至贫-贫模式转换阈值曲线包括这样的点，在该点处，燃气涡轮的操作在一次模式与贫-贫模式之间转变；以及控制燃气涡轮以在一次模式与贫-贫模式之间转变的步骤1208。一次模式被定义为：将大部分燃料提供给一次喷燃器，并且将剩余燃料或不将燃料提供给燃烧器的二次喷燃器，并且也在燃烧器的一次区域点燃所提供的燃料，一次区域与二次区域相邻，并且贫-贫模式被定义为：将燃料提供给一次喷燃器和二次喷燃器两者，并在一次区域和二次区域两者中燃烧所提供的燃料。

备选地，燃气涡轮可包括以下特征。处理器可被构造成：调整布置在压缩机的入口处的入口导叶的角度并控制将燃料提供给一次喷燃器和二次喷燃器的燃料阀以选择燃气涡轮的操作模式，或者监测在废气温度对涡轮压力比率平面中的燃气涡轮操作点的轨迹；并且在操作点与一次至贫-贫模式转换阈值基准曲线相交时选择一次模式和贫-贫模式中的一个，或计算由于在涡轮的烟道中流动的物质所导致的废气压降；计算由于烟囱效应所导致的压力恢复，其中烟囱效应是由于涡轮的排气口和到大气的烟道排放处之间的高度差所导致；并且将由于流动的物质所导致的废气压降和压力恢复相加以获得废气压力。

废气压力可依赖于：ρ_exhaust，该值为处于实际废气温度和实际外界压力下的废气密度；ρ_{exhaust ref}，该值为处于基准废气温度和基准外界压力下的废气密度；ρ_air，该值为处于实际压力和温度下的外界空气的密度；ρ_{air ref}，该值为处于基准压力和温度下的外界空气的密度；Δh，该值为在燃气涡轮排气口和到大气的烟道排放处之间的高度差；v，该值为烟道内部的排气速度；ttx_ref，该值为基准废气温度；ttx_act，该值为实际废气温度；pamb_ref，该值为基准外界压力；pamb_act，该值为实际外界压力；pinlet_act，该值为在压缩机入口处的实际空气压力；pinlet_ref，该值为在压缩机入口处的基准空气压力；tamb，该值为外界温度；tinlet_act，该值为在压缩机入口处的实际空气温度；tinlet_ref，该值为在压缩机入口处的基准空气温度；tnh_act，该值为压缩机实际速度；tnh_ref，该值为压缩机基准速度；igv_act，该值为实际igv角度；igv_ref，该值为基准igv角度；Wair_act，该值为在压缩机入口处的实际空气质量流率；Wair_ref，该值为在压缩机入口处的基准空气质量流率；Wexhaust_act，该值为实际废气质量流率；Wfuel_act，该值为燃料质量流率；IBH_fraction，该值为从压缩机排放处抽出的空气的分数；fa_{ratio ref}，该值为基准燃料空气质量比率；LHV_ref，该值为基准气体燃料的LHV；LHV_act，该值为实际气体燃料的LHV；sh，该值为空气比湿；ha，其为湿空气；wv，其为水蒸汽；da，其为干空气；SG_xx，该值为ha、wv或da的比重；ρ_xx，该值为ha、wv或da的密度；m_xx，该值为ha、wv或da的质量；以及V_xx，该值为ha、wv或da的体积。

处理器可以：将压缩机压力排放或入口涡轮压力除以废气压力以获得涡轮压力比率，或者可以在由废气温度和涡轮压力比率限定的平面中为燃气涡轮标识多个阈值点；对所标识的多个点应用多次双线性插值；并且作为多次双线性插值的结果确定用于贫气的点的第一集合和用于富气的点的第二集合，或者在恒定的涡轮压力比率下对第一集合和第二集合中的点应用线性插值；并且对线性插值的结果应用多变修正以计算一次至贫-贫模式转换阈值基准曲线，或者根据燃气涡轮的实际废气压降和入口压降调整一次至贫-贫模式转换阈值基准曲线。

计算机可读介质可包括计算机可执行指令，其中指令在被执行时实现用于控制包括压缩机、燃烧器和至少一个涡轮的燃气涡轮的操作点的方法。

根据示例性实施例，可以基于除了低热值(LHV)之外的表征燃料的其它参数来计算废气温度基准曲线ttxh、废气温度阈值曲线ttxth和在平面(ttx, tpr)中表示的其它曲线。这样的参数可以是例如NOx(氮氧化物)因子、燃烧上下限比率(燃烧下限是在支持自蔓延火焰的给定体积的燃料和空气(或其它氧化剂)的混合物中可燃物的最小百分比，燃烧上限是在支持自蔓延火焰的给定体积中可燃物的最高百分比)等。换言之，在以上讨论的示例性实施例中，ttxh曲线已被计算为ttxh = ttxha + Δttxh，其中ttxha = ttxhr (LHV - LHVl) / (LHVr – LHVl) + ttxhl ∙ (LHVr - LHV) / (LHVr – LHVl)。然而，ttxha依赖于燃料的低热值LHV，而不依赖于例如NOx因子、燃烧上下限比率等。

因此，如果为燃气涡轮依次供给具有相同MWI指数但不同NOx因子的第一燃料和第二燃料，则以上讨论的用于计算ttxh的算法对于NOx因子不敏感，因为该因子不是ttxha函数的一部分。由于MWI因子依赖于在用于ttxha的公式中体现的LHV，ttxha和隐含地ttxh曲线受到燃料的MWI指数变化的影响。然而，由于第一燃料和第二燃料具有类似的MWI指数，所以ttxh曲线和基于LHV变量的其它曲线将不能“看出”提供给燃气涡轮的不同燃料。

为此，根据示例性实施例，可以根据NOx因子、燃烧上下限比率或用于燃料的其它参数特性来计算ttxh曲线、ttxth曲线和其它曲线。在一种应用中，可使用相同的数学函数和算法来计算新的ttxh、ttxth曲线，但其中LHV参数由新参数代替。然而，可使用其它函数和/或算法来基于NOx因子、燃烧上下限比率等计算ttxh、ttxth和其它曲线。换言之，控制器70可被构造成计算在多个(ttx,tpr)平面中的所需曲线，每个平面对应于给定的燃料参数。

根据示例性实施例，控制器可被构造成使用表示燃料的特性的参数来确定废气温度基准曲线。如以上讨论的，该参数可以是燃料的低热值、燃料的NOx因子、燃料的燃烧上下限比率或它们的组合中的一个。此外，控制器可被构造成基于对应参数计算废气温度基准曲线，例如，用于三个所述参数的三个基准曲线，并且构造成选择所计算的废气温度基准曲线中的一个且基于所选废气温度基准曲线来控制燃气涡轮(对于以上讨论的示例而言为基于NOx因子的基准曲线)。

出于说明而非限制的目的，图13示出能够执行根据示例性实施例的操作的代表性控制器1300的示例。上文关于图2讨论的控制器70可具有控制器1300的结构。然而，应当认识到，本示例性实施例的原理同样地适用于处理器、计算机系统等。

示例性控制器1300可包括处理/控制单元1302，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1302不一定是单个装置，而是可包括一个或多个处理器。例如，处理单元1302可包括主处理器和联接以与主处理器通信的关联的从处理器。

处理单元1302可控制由存贮器/存储器1304中可用的程序控制的系统的基本功能。因此，处理单元1302可执行图12描述的功能。更具体而言，存贮器/存储器1304可包括用于执行关于控制器的功能和应用的操作系统和程序模块。例如，程序存贮器可包括只读存储器(ROM)、闪速ROM、可编程和/或可擦除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存储装置等中的一个或者多个。程序模块和关联特征还可经由数据信号发送到控制器1300，例如经由例如因特网的网络以电子方式下载。

可存储在存贮器/存储器1304中的程序中的一种是专用程序1306。如前所述，专用程序1306可存储燃气涡轮的相关参数，并且还可包括用于计算一次至贫-贫模式转换阈值曲线的指令并且发送指令以关闭或打开IGV等。程序1306和关联特征可以在可通过处理器1302操作的软件和/或固件中实现。程序存贮器/存储器1304还可用来存储数据1308，例如，燃气涡轮的相关参数或与本发明的示例性实施例关联的其它数据。在一个示例性实施例中，程序1306和数据1308存储在非易失性电可擦、可编程ROM (EEPROM)、闪速ROM等中，从而在控制器1300断电时不丢失信息。

处理器1302也可联接到与发电厂中的控制站关联的用户接口1310元件。发电厂的用户接口1310可包括例如诸如液晶显示器的显示器1312、小键盘1314、扬声器1316和传声器1318。如本领域已知的，这些和其它用户接口构件联接到处理器1302。小键盘1314可包括用于执行各种功能的字母-数字键，这些功能包括拨号和执行分配给一个或多个键的操作。备选地，可以采用其它用户接口机制，例如，语音命令、开关、触摸垫/屏，使用点击装置的图形用户界面、轨迹球、操纵杆、或任何其它用户接口机制。

控制器1300还可包括数字信号处理器(DSP) 1320。DSP 1320可执行各种功能，包括模数(A/D)转换、数模(D/A)转换、语音编码/解码、加密/解密、检错与纠错、比特流变换、过滤等。通常联接到天线1324的收发机1322可发送和接收与无线装置相关联的无线电信号。

图13的控制器1300作为在其中可应用本发明的示例性实施例的原理的计算环境的代表性示例而提供。从本文所提供的描述，本领域的技术人员将会知道，本发明同样地可适用于各种其它目前已知和未来的移动和固定计算环境。例如，专用程序1306及关联特征和数据1308可以多种方式存储，可以在各种处理装置上可操作，并且可以在具有额外、更少或不同支持电路和用户接口机制的移动装置中操作。应当指出，本发明的示例性实施例的原理同等地适用于非移动终端，即陆上线路计算系统。

所公开的示例性实施例提供了燃气涡轮、计算机系统和用于基于新型范例和阈值来控制燃气涡轮的方法。应当理解，该描述不意图限制本发明。相反地，示例性实施例意图覆盖被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的替代形式、修改和等同物。此外，在示例性实施例的详细描述中，陈述了许多特定细节，以便提供对主张权利的本发明的全面理解。然而，本领域技术人员将会理解，各种实施例可以在没有这些特定细节的情况下实现。

虽然本示例性实施例的特征和元件在特定组合的实施例中被描述，但每个特征或元件可以在没有该实施例的其它特征和元件的情况下单独使用，或者在有或没有本文所公开的其它特征和元件的情况下以不同组合使用。

本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统并实施任何合并的方法。本发明的专利保护范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其它实例。如果其它实例包括与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果其它实例包括与权利要求的字面语言并无实质差别的等效结构元件，则这些其它实例预期在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于控制包括压缩机、燃烧器和至少一个涡轮的燃气涡轮的操作点的方法，所述方法包括：

确定在所述涡轮的排气口处的废气压力；

测量在所述压缩机处的压缩机压力排放；

基于所述废气压力和所述压缩机压力排放确定涡轮压力比率；

根据所述涡轮压力比率计算一次至贫-贫模式转换阈值基准曲线，其中，所述一次至贫-贫模式转换阈值基准曲线包括这样的点，即，在所述点处，所述燃气涡轮的操作在一次模式与贫-贫模式之间转变；以及

控制所述燃气涡轮以在所述一次模式与所述贫-贫模式之间转变，

其中，所述一次模式被定义为：将多于一半的燃料提供给一次喷燃器，并且将剩余燃料或不将燃料提供给所述燃烧器的二次喷燃器，并且在所述燃烧器的一次区域点燃所述提供的燃料，所述一次区域与所述二次区域相邻，并且

所述贫-贫模式被定义为：将燃料提供给所述一次喷燃器和所述二次喷燃器两者，并在所述一次区域和所述二次区域两者中燃烧所述提供的燃料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

调整布置在所述压缩机的入口处的入口导叶的角度并控制燃料阀以选择所述燃气涡轮的操作模式，所述燃料阀将所述燃料提供给所述一次喷燃器和所述二次喷燃器。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括：

监测在废气温度对涡轮压力比率平面中的所述燃气涡轮的操作点的轨迹；以及

在所述操作点与所述一次至贫-贫模式转换阈值基准曲线相交时选择所述一次模式和所述贫-贫模式中的一个。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述确定废气压力的步骤包括：

计算由于在所述涡轮的烟道中流动的物质而导致的废气压降；

计算由于烟囱效应而导致的压力恢复，其中，所述烟囱效应是由于在所述涡轮的排气口与到大气的烟道排放处之间的高度差所导致；和

将由于所述物质流动而导致的废气压降和所述压力恢复相加以获得所述废气压力。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述废气压力依赖于：ρ_exhaust，该值为处于实际废气温度和实际外界压力下的所述废气的密度；ρ_{exhaust ref}，该值为处于基准废气温度和基准外界压力下的所述废气的密度；ρ_air，该值为处于实际压力和温度下的外界空气的密度；ρ_{air ref}，该值为处于基准压力和温度下的所述外界空气的密度；Δh，该值为在所述燃气涡轮排气口与到大气的所述烟道排放处之间的高度差；v，该值为在所述烟道内部的废气速度；ttx_ref，该值为所述基准废气温度；ttx_act，该值为所述实际废气温度；pamb_ref，该值为所述基准外界压力；pamb_act，该值为所述实际外界压力；pinlet_act，该值为在所述压缩机入口处的实际空气压力；pinlet_ref，该值为在所述压缩机入口处的基准空气压力；tamb，该值为外界温度；tinlet_act，该值为在所述压缩机入口处的实际空气温度；tinlet_ref，该值为在所述压缩机入口处的基准空气温度；tnh_act，该值为所述压缩机实际速度；tnh_ref，该值为压缩机基准速度；igv_act，该值为实际igv角度；igv_ref，该值为基准igv角度；Wair_act，该值为在所述压缩机入口处的实际空气质量流率；Wair_ref，该值为在所述压缩机入口处的基准空气质量流率；Wexhaust_act，该值为实际废气质量流率；Wfuel_act，该值为燃料质量流量；IBH_fraction，该值为从所述压缩机排放处抽出的空气的分数；fa_{ratio ref}，该值为基准燃料空气质量比率；LHV_ref，该值为基准气体燃料的LHV；LHV_act，该值为实际气体燃料的LHV；sh，该值为空气比湿；ha，其为湿空气；wv，其为水蒸汽；da，其为干空气；SG_xx，该值为ha、wv或da的比重；ρ_xx，该值为ha、wv或da的密度；m_xx，该值为ha、wv或da的质量；以及V_xx，该值为ha、wv或da的体积。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述确定所述涡轮压力比率的步骤包括将所述压缩机压力排放或所述涡轮的入口压力除以所述废气压力以获得所述涡轮压力比率。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述计算所述一次至贫-贫模式转换阈值基准曲线的步骤包括：

在由所述废气温度和所述涡轮压力比率限定的平面中为所述燃气涡轮标识多个阈值点；

对所述标识的多个点应用多次双线性插值；并且

作为所述多次双线性插值的结果确定用于贫气的点的第一集合和用于富气的点的第二集合。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

在恒定的涡轮压力比率下对在所述第一集合和所述第二集合中的点应用线性插值。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：

对所述线性插值的结果应用多变修正以计算所述一次至贫-贫模式转换阈值基准曲线。

10.一种具有控制器的燃气涡轮，所述控制器用于控制所述燃气涡轮的操作点，所述燃气涡轮包括：

压缩机，所述压缩机被构造成压缩流体；

燃烧器，所述燃烧器连接到所述压缩机且被构造成接收来自所述压缩机的压缩流体以及燃料；

涡轮，所述涡轮具有与所述压缩机的公共轴且被构造成在接收来自所述燃烧器的燃烧燃料时旋转；和

处理器，所述处理器被构造成控制所述压缩机的进气和在所述燃烧器处的所述燃料，所述处理器被构造成：

确定在所述涡轮的排气口处的废气压力，

接收所述压缩机的压缩机压力排放，

基于所述废气压力和所述压缩机压力排放确定涡轮压力比率，

根据所述涡轮压力比率计算一次至贫-贫模式转换阈值基准曲线，其中，所述一次至贫-贫模式转换阈值基准曲线包括这样的点，即，在所述点处，所述燃气涡轮的操作在一次模式与贫-贫模式之间转变，以及

控制所述燃气涡轮以在所述一次模式与所述贫-贫模式之间转变，

其中，所述一次模式被定义为：将多于一半的燃料提供给一次喷燃器，将剩余燃料或不将燃料提供给所述燃烧器的二次喷燃器，并且还在所述燃烧器的一次区域点燃所述提供的燃料，所述一次区域与所述二次区域相邻，并且

所述贫-贫模式被定义为：将燃料提供给所述一次喷燃器和所述二次喷燃器两者，并在所述一次区域和所述二次区域两者中燃烧所述提供的燃料。

Images