CN102713209A - 基于排气温度对涡轮压力比的涡轮控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

包括压缩机、燃烧器和至少一个涡轮的燃气涡轮，用于控制该燃气涡轮的操作点的软件和方法。该方法包括：确定涡轮的排气处的涡轮排气压力；测量压缩机处的压缩机压力排放；基于涡轮排气压力和压缩机压力排放而确定涡轮压力比；根据涡轮压力比计算涡轮的排气处的排气温度；确认参考排气温度曲线在由排气温度和涡轮压力比限定的平面中；以及，控制燃气涡轮以维持操作点在参考排气温度曲线上。

Description

基于排气温度对涡轮压力比的涡轮控制方法及装置

技术领域

本文中所公开的主题的实施例大体上涉及用于控制涡轮的方法和系统，并且更特定而言，涉及用于控制涡轮的机构和技术。

背景技术

用于例如动力设备或喷气发动机的涡轮机基于新发现和更好的材料而不断改进。此外，这些机械的制造商经受增加的压力以使该机械生产或改进得“更绿色”，即，减少操作时产生的污染量。

因此，不断地具有用于降低涡轮机的废气排放(特别是考虑使用各种气体燃料的需要)的研究。满足这些要求变得越来越困难，尤其是当考虑到这些装置的各种操作时。在这些条件下，精确的涡轮机排气温度控制成为用以开发成功应用的相关因素。

用于降低由涡轮机产生的污染的一种方法基于排气温度对压缩机压力比的范式。在这方面，美国专利申请公布2008/0243352(其全部内容通过引用而被包括在本文中)描述了，目前的控制系统可执行调节燃料流率、入口导叶(IGV)以及其他控制输入的调度算法以提供燃气涡轮的安全且高效的操作。燃气涡轮控制系统可接收操作参数和设置作为输入，其结合调度算法确定涡轮控制设置以实现期望操作。测得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、涡轮排气温度以及发电机功率输出。期望的操作设置可包括发电机功率输出和排气能量。调度(例如排气温度对压缩机压力比、燃料分裂对燃烧参考温度、进气加热(IBH)对IGV、压缩机操作限制线对修正的速度和入口导叶等)被限定为用以基于离线现场测试或实验室数据而针对已知的操作边界(例如排放、动力、贫油熄火、压缩机喘振、压缩机结冰、压缩机间隙、航空力学等)。调度的输出然后确定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率、燃烧器燃料分布(其也可被称为“燃料分裂”)、压缩机入口导叶位置以及进气加热流。

图1(其类似于美国专利申请公布2008/0243352的图1)显示了燃气涡轮10的一个示例，其具有压缩机12、燃烧器14、联接至压缩机12的涡轮16以及计算机控制系统(控制器)18。通向压缩机12的入口管道20可将环境空气供给至压缩机12。入口管道20可具有管道、过滤器、滤筛和噪音减轻装置，它们对流动通过入口20并进入压缩机12的入口导叶21中的环境空气的压力损失有贡献。用于涡轮的排气管道22通过例如排放控制和噪音减轻装置从涡轮10的出口引导燃烧气体。由于构件的增加并且由于堵塞入口20和排气管道22的灰尘和污垢，入口压力损失和背压的量可随着时间改变。涡轮10可驱动产生电力的发电机24。

如美国专利申请公布2008/0243352中所述的那样，可通过若干传感器26来监测燃气涡轮10的操作，传感器被设计成用以测量涡轮10、发电机和周围环境的不同性能相关的变量。例如，成组的冗余温度传感器26可监测围绕燃气涡轮的环境温度、压缩机排放温度、涡轮排气温度以及通过燃气涡轮10的气流的其他温度测量。类似地，成组的冗余压力传感器26可监测压缩机入口和出口涡轮排气处、通过燃气涡轮10的气流中的其他位置处的环境压力以及静态和动态压力水平。成组的冗余湿度传感器26(例如干球温度计和湿球温度计)可测量压缩机12的入口管道中的环境湿度。成组的冗余传感器26还可包括流量传感器、速度传感器、火焰探测传感器、阀门位置传感器、导叶角度传感器等，它们感测与燃气涡轮10的操作相关的各种参数。如本文中所用的，“参数”指可用来限定涡轮的操作条件的项目，例如但不限于涡轮的限定位置处的温度、压力以及气流。

在美国专利申请公布2008/0243352A中还描述了，燃料控制系统28调节从燃料源流动至燃烧室14的燃料、流到第一级燃料喷嘴和第二级燃料喷嘴中的燃料之间的一个或更多分裂以及与流到燃烧室中的第二级空气混合的燃料的量。燃料控制系统28也可选择用于燃烧器的燃料的类型。燃料控制系统28可为单独的单元或者可为主控制器18的构件。控制器18可为具有至少一个处理器的计算机系统，处理器执行程序和操作以使用传感器输入和来自操作人员的指示而控制燃气涡轮的操作。由控制器18执行的程序和操作可包括(尤其是)感测或建模操作参数、建模操作边界、应用操作边界模型、应用调度算法以及应用边界控制逻辑以关闭边界上的循环。控制器18所产生的命令可导致燃气涡轮上的促动器例如调整燃料源和燃烧器之间的阀(促动器27)，该阀调节流至燃烧器的燃料的流率、燃料分裂和类型；调整压缩机上的入口导叶21(促动器29)；调整进气加热；以及激活燃气涡轮上的其它控制设置。

序列号为2002/0106001和2004/0076218的美国专利申请(其全部内容通过引用而被包括到本文中) 描述了用于调整涡轮控制算法的方法和系统以提供燃气涡轮的点火温度和燃烧参考温度的精确计算，因为工作流体中的水蒸汽含量与设计值大大不同。这些参考物使用涡轮排气温度和涡轮压力比公开，用于控制点火温度。

然而，传统的方法和系统受限于其控制燃气涡轮的能力，并且因此，将需要提供获得更精确的点火温度控制和/或更精确的燃烧参数控制和/或更精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，有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：确定涡轮的排气处的涡轮排气压力的步骤；测量压缩机处的压缩机压力排放的步骤；基于涡轮排气压力和压缩机压力排放确定涡轮压力比的步骤；根据涡轮压力比计算涡轮的排气处的排气温度的步骤；确认参考排气温度曲线在由排气温度和涡轮压力比限定的平面中的步骤，其中，参考排气温度曲线包括对于操作燃气涡轮而言最佳的那些点；以及，控制燃气涡轮以维持操作点在参考排气温度曲线上的步骤。

根据另一示例性实施例，有一种燃气涡轮，其具有用于控制该燃气涡轮的操作点的控制装置。该燃气涡轮包括压缩机、燃烧器、至少一个涡轮、压力传感器以及处理器，压缩机配置为用以压缩流体，燃烧器连接至该压缩机的排放处并配置为用以混合压缩流体与燃料，至少一个涡轮连接至压缩机并配置为用以使燃烧过的气体从燃烧器膨胀以产生动力至燃气涡轮的输出，压力传感器设置在压缩机的排放处以测量压缩机压力排放，处理器与压力传感器通信。该处理器还配置为用以：确定涡轮的排气处的涡轮排气压降；基于涡轮排气压力和压缩机压力排放而确定涡轮压力比；根据涡轮压力比计算涡轮的排气处的排气温度；确认参考排气温度曲线在由排气温度和涡轮压力比限定的平面中，其中，参考排气温度曲线包括对于操作燃气涡轮而言最佳的那些点；以及，控制燃气涡轮以维持操作点在参考排气温度曲线上。

根据又一示例性实施例，有一种包括计算机可执行指令的计算机可读介质，其中，该指令在执行时，执行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：确定涡轮的排气处的涡轮排气压力的步骤；测量压缩机处的压缩机压力排放的步骤；基于涡轮排气压力和压缩机压力排放确定涡轮压力比的步骤；根据涡轮压力比计算涡轮的排气处的排气压力的步骤；确认参考排气温度曲线在由排气温度和涡轮压力比限定的平面中的步骤，其中，参考排气温度曲线包括对于操作燃气涡轮而言最佳的那些点；以及，控制燃气涡轮以维持操作点在参考排气温度曲线上的步骤。

附图说明

被包括在说明书中并构成该说明书的一部分的附图显示了一个或更多实施例，并且与描述一起说明了这些实施例。在附图中：

图1是常规燃气涡轮的示意图；

图2是在所公开主题的一实施例中考虑的燃气涡轮的示意图；

图3是根据一示例性实施例的显示涡轮的排气温度对压力比的变化的曲线图；

图4是根据一示例性实施例的燃气涡轮的操作点和最佳操作点之间的关系的示意性图示；

图5是根据一示例性实施例的排气温度对涡轮压力比平面的示意图；

图6是根据一示例性实施例的图5的平面中的参考排气温度曲线的示意图；

图7是根据一示例性实施例的显示用于计算涡轮的排气温度设定点的步骤的流程图；

图8是根据一示例性实施例的显示用于控制燃气涡轮的步骤的流程图；以及

图9是用来控制燃气涡轮的控制器的示意图。

具体实施方式

示例性实施例的下列描述引用了附图。不同附图中的相同参考标号表示相同或类似的元件。下面的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。为了简单起见，下面的实施例关于单轴式燃气涡轮系统的术语和结构而论述。然而，下面将论述的实施例不限于这些系统，而是可应用于其他系统，例如多轴式燃气涡轮。

贯穿该说明书对“一个实施例”或“一实施例”的引用意指结合一实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在所公开主题的至少一个实施例中。因此，用语“在一个实施例中”或“在一实施例中”贯穿该说明书在各个地方的出现未必指相同的实施例。此外，该特定的特征、结构或特性可以任何合适方式组合在一个或更多实施例中。

如上面关于图1所论述的那样，可测量和/或计算涡轮10的各种参数用于确定将要监测的期望量。这样的量是涡轮的点火温度。通过将涡轮的点火温度维持在最佳范围内，涡轮的操作被认为是平稳的且在控制下。当涡轮的点火温度离开最佳范围时，控制器18配置为用以改变例如压缩机的空气流率，并且因此改变压缩机压力比，用以调整点火温度。可判断点火温度离开最佳范围的事件是，例如，燃气涡轮的负荷变化或气体燃料组分变化。

然而，下面要论述的新颖的实施例不依靠用于控制燃气涡轮的传统范式，而是依靠一种新颖的范式，例如，基于涡轮压力比控制涡轮排气温度。这种新颖的范式提供了对燃气涡轮的状态的更精确估计，并且对燃气涡轮的运行中出现的变化(例如负荷变化)也更加敏感。

根据一示例性实施例，根据涡轮压力比来确定排气温度，并且排气温度被监测和维持在一定边界内，用于确保燃气涡轮的高效操作，例如，适应基本负荷、低负荷、高负荷等。下面关于图2论述了关于确定排气温度和涡轮压力比的更多细节。图2显示了具有压缩机32的燃气涡轮30，该压缩机32配置为用以接收通过入口管道36的流体(例如空气)。传感器34可布置在入口管道36中，用于测量压力、温度、湿度等中的至少一项。

流体被压缩机32压缩并且压缩流体经由通路42被送至燃烧器40而与由供给管道44供应的燃料(例如天然气)混合。更多传感器34可布置在燃烧器40中或周围，用于测量压缩流体和/或燃料的特性。在燃烧器40中发生燃烧并且该燃烧使压缩流体和燃料的混合物的温度升高至点火温度。燃料经由供给管道44而被提供至第一级燃烧器和第二级燃烧器，如之后所公开的那样。阀45a和45b用于提供燃料至第一级燃烧器和第二级燃烧器。控制单元70还配置为用以调节阀45a和45b，以提供所需比例的燃料至第一级阀和第二级阀。具有很高能量的燃烧气体的流经由管道52供应至涡轮50，涡轮50可用轴56机械地连接至发电机54。发电机54可产生电力。涡轮50还经由轴58机械地连接至压缩机30，因而将所需的驱动动力供应至压缩机30。排出气体通过出口管道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接收额外的数据。基于由控制单元70计算的过程，各种命令经由输出端口74提供至燃气涡轮30的不同部分，例如使静叶旋转的命令、改变轴的旋转速度的命令等。之后论述控制单元70的详细结构。

根据一示例性实施例，对燃气涡轮的建议的新控制基于涡轮排气温度(ttx)对涡轮压力比(tpr)，其中，ttx在出口60处测量/确定，tpr被测量/确定为压缩机32的排放压力与涡轮50的排气压力之间的比值。参考图2，压缩机32的排放压力在点80处测量，并且涡轮50的排气压力在点60处测量。然而，根据一示例性实施例，可在燃烧器40内、在涡轮50的入口处或涡轮50内测量/估计排气压力。后面更详细地论述了这些压力。应当注意，下面论述的用于确定ttx的特例是用于说明的目的并且不限制所公开的主题。

图3显示了(ttx, tpr)平面。该平面中的每个点可被认为属于如图4中所示的集合A。集合A被限定为包括燃气涡轮30基于燃烧模型的操作点。集合A包括点的子集B。这些点如下面论述的那样确定并被限定为燃气涡轮30的最佳操作点。

平面(ttx, tpr)的这些点，即，与恒定的点火温度、恒定的速度、恒定的IGV角度、恒定的空气比湿度以及恒定的抽气条件对应的来自集合A的点可由曲线90呈现，该曲线90可具有向上的凹度。涡轮压力比tpr可随压缩机入口温度改变。在逼近曲线90时引入的误差(曲线90可为抛物线，带有其密切直线92)在tpr=tpr₀处较小并且对于接近tpr₀的tpr值而言可忽略。本领域技术人员将会认识到，可使用其他近似函数。

逐渐改变压缩机入口温度、压缩机速度和IGV角度，曲线90逐渐变化，例如，在其主导数方面没有任何连续性。因此，恒定的点火温度轨迹(其可基于ttx计算)可通过密切直线92的线性插值来近似获得。

基于上面论述的集合B中的点，应用后面要论述的函数f，以确定属于集合C的点。集合C的点是燃气涡轮按照控制逻辑操作的设定点。换而言之，计算了属于集合C的点，如下面论述的那样，并且燃气涡轮30的操作者控制一些参数以将燃气涡轮维持在集合C内。图4显示了该构思。

根据一示例性实施例，函数f可以被限定为f = g?h?l，其中g、h、l是数学函数或运算符。例如，g可为带有适当的燃料特性的线性插值，h可为IGV角度和燃气涡轮速度的双线性插值，并且l可为由p?T^((1-γ)/γ)=常量给出的多变修正。设定域B、上域C完全通过函数f来限定。B中的局部扰动产生C中的局部扰动。根据应用，可使用更多或更少的函数或不同函数来限定函数f。换而言之，可使用其他函数或不同数量的函数来取代上面论述的g、h和l函数。

现在论述集合ttx温度的确定，其是维持燃气涡轮30的高效操作所期望的。假设燃气涡轮可在下述范围中操作：对于环境温度tamb，考虑范围tamb_i-1 ≤ tamb ≤ tamb_i，对于 IGV角度igv, 考虑范围igv_j-1 ≤igv ≤ igv_j，并且对于燃气涡轮速度tnh，考虑范围tnh_k-1 ≤ tnh ≤ tnh_k。还假设涡轮被控制在最佳点火温度。基于上述范围，燃气涡轮的操作点可通过下述点所限定的曲线而表示在图5所示的(ttx, tpr)空间中。对于贫燃料和对于最低环境温度而言，有四个点A1到A4；对于贫燃料和对于最高环境温度而言，有四个点B1到B4；对于富燃料和最低环境温度而言，有四个点C1到C4；并且对于富燃料和最高环境温度而言，有四个点D1到D4。点的数量可根据插值函数的性质而改变。

贫燃料和富燃料如下面那样限定。用于工业应用的燃气涡轮使用包括多于90％CH₄的天然气。天然气被认为是富气体燃料。将天然气与惰性气体(例如氮、二氧化碳和氩)混合产生了较贫的气体燃料，即，较低的LHV值(LHV是气体的较低热值并且描述了可通过燃烧气体从由单位质量的气体获得的能量的量)。通过将天然气与较重的烃(例如乙烷、丙烷和/或丁烷)混合，可获得富燃料。

对于上面论述的点集中的每个点，使用两个双线性插值(上面论述的函数g)计算中心点(A5、B5、C5和D5)。双线性插值是线性插值在规则网格上对于两个变量的插值函数的扩展。双线性插值首先在一个方向上执行线性插值，并且然后再在另一方向上执行线性插值。点A5和点B5限定了贫气体的温度控制曲线100，并且点C5和点D5限定了富气体的温度控制曲线102。如上面论述的那样，可使用不同于双线性插值的另一函数。

基于LHV_实际气体、LHV_富气体和LHV_贫气体，通过使用对应于两条控制曲线100和102上的实际压力比的两个坐标的线性插值(上面论述的函数h，或者在其他应用中，其他函数)来确定ttx_设定点。

如果对于其他条件和/或所考虑的参数值计算更多的点，则可确定更多的ttx_设定点。将这些点对于相应的tpr比描出导致了图6所示的参考排气温度曲线104。应当注意，参考排气温度曲线104在两条控制曲线100和102之间。根据一示例性实施例(未显示)，曲线104平行于曲线100和102。

用于计算ttx_设定点的步骤可表示在图7中所示的框图中。根据该图，数据选择单元110接收环境温度tamb、静叶IGV的旋转角度、轴的旋转速度tnh以及富气体矩阵数据作为输入。富气体矩阵数据的一个示例为：

ttxr

并且富气体的涡轮压力比矩阵如下给出：

tprr 

八个点C1至C4和D1至D4(在图5中显示)通过数据选择单元110输出。该输出被提供为插值单元112的输入。对于同样的参数，由数据选择单元114重复同样的过程，除了使用贫气体矩阵数据替代富气体矩阵数据之外。来自插值器112和116的输出，即，富气体ttx对tpr实际控制曲线以及贫气体ttx对tpr实际控制气体，被提供为计算单元118的输入，用于计算两个ttx设定点。线性插值器120接收两个ttx设定点并对它们插值而产生最终点，ttx_设定点。基于线性插值器120的输出，点火单元122可计算燃气涡轮的ttx_设定点的变化。应当注意，线性插值器120和点火单元122可直接接收关于燃料气体LHV的信息。

具有ttx_设定点，控制器70可被编程为用以监测此值并用于调整燃气涡轮30的各种参数(例如IGV的角度、燃料量等)，以将ttx_{设定点维持}在用于燃气涡轮的高效操作的预定范围中。在其中使用单轴式燃气涡轮的一个示例性实施例中，可通过控制IGV角度来调节ttx_设定点。现在计算参考排气温度曲线ttxh 104，其是燃气涡轮所需要遵循的。

考虑确认燃气涡轮操作参数的三个向量。这些向量是tamb、igv和tnh，并且它们对应于环境温度、IGV静叶的角度以及轴的旋转速度。对于这三个向量的数学表达是：

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

其中标记 i 为：

2，如果 tamb < tamb₂

3，如果 tamb₂ ≤ tamb < tamb₃

4，如果 tamb₃ ≤ tamb < tamb₄

5，如果 tamb₄ ≤ tamb < tamb₅

6，如果 tamb₅ ≤ tamb < tamb₆

7，如果 tamb₆ ≤ tamb，

其中tamb是实际环境温度。

igv角度向量被限定为：

igv = [igv_j] = [igv₁, igv₂, ... , igv₆]，其中标记 j为：

2，如果 igv < igv₂

3，如果 igv₂ ≤ igv < igv₃

4，如果 igv₃ ≤ igv < igv₄

5，如果 igv₄ ≤ igv < igv₅

6，如果 igv₅ ≤ igv，

其中igv为实际igv角度。

tnh轴速度向量被限定为：

tnh = [tnh_k] = [tnh₁, tnh₂, tnh₃, tnh₄]，其中标记k为：

2，如果 tnh < tnh₂

3，如果 tnh₂ ≤ tnh < tnh₃

4，如果 tnh₃ ≤ tnh，

其中tnh为实际轴速度百分比。i、j和k的值随着应用不同而不同并且可包括很多可能性。

引入四个3D矩阵，用于计算参考排气温度曲线ttxh，即，由操作者使用以控制燃气涡轮的参考曲线。根据一示例性实施例，ttxh可被视为其中燃气涡轮在最佳ttx和tpr值下操作的点的轨迹。这四个矩阵是排气温度贫燃料矩阵txl、压力比贫燃料矩阵tprl、排气温度富燃料矩阵ttxr以及压力比富燃料tprr。这些矩阵的元素如下列出：

ttxl = [ttxl_i,j,k]，对于贫燃料而言，

tprl = [tprl_i,j,k]，对于贫燃料而言，

ttxr = [ttxr_i,j,k]，对于富燃料而言，以及

tprr = [tprr_i,j,k]，对于富燃料而言。

假设实际操作条件tamb、igv和tnh处于下列范围中：tamb_i-1 ≤ tamb < tamb_i；igv_j-1 ≤ igv < igv_j；并且tnh_k-1 ≤ tnh < tnh_k，实际参考曲线ttxh如下给出：

ttxh = ttxha + Δttxh，

其中，ttxha限定了对于燃气涡轮在最佳的ttx和tpr点处操作的参考曲线，但也考虑了压缩机入口压力和燃气涡轮排气压降，并且，Δttxh是ttxha的修正，其用于将涡轮点火温度维持在最佳值，尽管涡轮的入口和排气压降变化。

参考曲线ttxha被限定为

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

其中，限定ttxha的参数如下限定：

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 是实际燃料的较低热值，

LHVl是贫燃料的较低热值，

LHVr是富燃料的较低热值。

应用下述双线性插值：

ttxl_i-1 = 双线性插值(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 = 双线性插值(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 = 双线性插值(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 = 双线性插值(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 = 双线性插值(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 = 双线性插值(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 =双线性插值(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)，并且

tprr_i =双线性插值(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)。

修正项Δttxh如下给出：

Δttxh = ttxh?((pamb_实际 + Δp_排气参考)/(pamb_实际 + Δp_排气))^{( γ/(1- γ) ) - 1)} +((pamb_实际 - Δp_入口参考)/(pamb_实际 - Δp_入口))^{(γ/(1- γ) ) - 1)})，

其中，γ = a?tpr + b，其中a和b是常量，并且使得γ配合燃气涡轮多变扩展 (p?t^{((1 - γ)/ γ)} =常量)。

修正Δttxh考虑(尤其是)实际燃气涡轮排气和入口压降。由于燃气涡轮温度控制曲线(例如ttxh)取决于参考排气压降Δp_排气参考以及参考入口压降Δp_入口参考，因而有可能通过使用例如函数Δttxh针对不同的排气和入口压降修正这些曲线。

由于压缩机的输入处的污垢的量，可测量实际入口压降值Δp_入口实际而不是估计。换而言之，压缩机入口系统压降取决于流动情况和入口过滤器上的污垢，定期污垢沉积和去除可导致入口压降随时间的不可预知的变化。在一应用中，如果LHV信号不可获得，例如由于热量计故障或校准问题，则控制器70可配置为使用LHV_故障而不顾实际LHV。

上述双线性插值、线性插值和多变扩展，当如上所述在允许范围的各个点i、j和k处应用至燃气涡轮的参数(例如IGV角度和轴旋转速度)时，在参考曲线ttxh上产生ttx_设定点。在一个示例性实施例中，对于燃气涡轮在各种条件下计算了多个ttx_设定点，并且所有这些点ttx_设定点是ttxh曲线的部分。其他参考曲线可从ttxh确定，如下面论述的那样。这些额外的参考曲线也可用于控制燃气涡轮的操作。

根据一示例性实施例，参考排气温度对压缩机压力比曲线TTRX可用于控制燃气涡轮。TTRX曲线可被限定为TTRX = Min(等温线_NO, ttxh)，其中等温线_NO被限定为燃气涡轮在正常操作条件下的等温线。在一个应用中，等温线_NO表示涡轮的转子可暴露至的最高温度。排气温度对IGV的控制曲线可被限定为TTRXGV = TTRX。如果高峰负荷模式关闭，则排气温度对燃料的控制曲线可被限定为TTRXB = TTRXB_NO，并且，如果高峰负荷模式开启，则TTRXB = TTRXB_PK。高峰负荷模式被限定为燃气涡轮在恒定操作条件(环境温度、压力、轴速度、IGV位置以及气体燃料成分)下运行并且传递高于额定值的动力。该情形在燃气涡轮的操作点火温度高于额定温度时出现。 TTRXB_NO 由 TTRX + Min((IGV_max - IGV_设定点)?Δ1, Δ2)给出，其中Δ2是限定Min函数值的值，并且 TTRXB_PK 由Min(等温线_PK, ttxh + ΔPK)给出。

ΔPK如下给出：

ΔPK = Δttxr?(LHV - LHVl)/(LHVr - LHVl) + Δttxl?(LHVr - LHV)/(LHVr - LHVl)，其中LHV 是实际燃料的最低热值，

LHVl 是贫燃料的最低热值，

LHVr是富燃料的最低热值，

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)。

上述经由IGV的排气温度控制以及经由燃料曲线的排气温度控制可如下面那样被用于燃气涡轮的控制。可通过改变例如涡轮的轴的速度、IGV的角度(其直接控制提供至压缩机的空气量)、提供至燃烧器的燃料的量、提供至燃烧器的燃料/空气的比值等来控制燃气涡轮。根据一示例性实施例，对于单轴式燃气涡轮而言，首先使用IGV的角度来控制燃气涡轮的操作，即，维持ttx_实际点在上面计算的ttxh曲线上(在ttx对tpr平面中)。换而言之，当实际的ttx_实际点由于燃气涡轮的各种情形(例如负荷的变化)而偏离ttxh曲线时，第一控制调整IGV的角度以将燃气涡轮的ttx_实际点带至ttx_设定点。然而，这种控制可达到饱和点，即，在该点处，IGV的角度不可进一步改变或者不期望其进一步改变。在这一点，将要提供至燃气涡轮的燃料的量可改变直到使ttx_实际点与ttx_设定点一致。如果该控制变得饱和，则有可能改变由压缩机提供的流体和注入燃烧器中的燃料之间的比值，从而限制燃料流率并进一步调节ttx_实际点。

为了完全确定ttx对tpr平面中的ttxh曲线，接下来论述涡轮压力比tpr的确定。估计燃气涡轮排气压力比测量较为简单些。虽然可测量涡轮压力比tpr中涉及的压力，但是，优选地如下面所论述的那样计算tpr，因为其比测量的tpr更精确。在这方面，注意到涡流可出现在燃气涡轮中的位置80和60处，这使得所测量的压力较不精确，因为它们可跨过小的距离改变。该估计可基于烟道(flue)压降、排气数据和环境压力的特性而执行。根据一示例性实施例，涡轮压力比tpr基于估计的排气压降和绝对压缩机排放压力而确定。在一个实施例中，排气压降在点60(见图2)处确定，而绝对压缩机排放压力在点80(见图2)处确定。在另一个实施例中，对于具有多个级的压缩机而言，绝对压缩机排放压力在排放扩散器之后确定，排放扩散器在最后级的下游。根据该示例性实施例，测量绝对压缩机排放压力。

根据一示例性实施例，排气压降由两项组成：归因于涡轮50的烟道中的物质流动的压降以及归因于烟囱效应的压力恢复。如果在燃气涡轮排气和到大气的烟道排放之间有高度差，则可出现烟囱效应。第一项由a_a?ρ_排气?v²给出，而第二项由(ρ_空气 - ρ_排气)?Δh给出。后面提供了该计算中使用的每个常量、参数和变量的含义。因此，归因于烟道中的物质流动的总排气压降可表示为：

Δp_排气= a_a?p_排气?v² - (ρ_空气 - ρ_排气)?Δh，其可被改写为

a_a?ρ_排气?v² = a_a?ρ_排气?(W_排气/(ρ_排气?a_b))² = a_a?(W_排气/a_b)²/ρ_排气 = a/ρ_排气?W_排气 ²。

为了简化该表达式，假设烟道中的气体的密度ρ独立于实际排气压降并且仅仅取决于排放压力(其在这里是环境压力)，因为排气压降被假设为仅仅是环境压力的一部分。因此，由该简化引入的误差可忽略。排出气体密度ρ_排气可表示为：

ρ_排气 = ρ_排气参考?ttx_参考/ttx_实际?pamb_实际/pamb_参考。

环境空气密度可表示为：

ρ_空气 = ρ_空气参考?tamb_参考/tamb_实际?pamb_实际/pamb_参考，

其中：

ρ_排气是排气在ttx_实际温度和pamb_实际环境压力下的密度，

ρ_排气参考 是排气在ttx_参考温度和pamb_参考环境压力下的密度，

ρ_空气是环境空气在实际压力和温度下的密度，

ρ_空气参考是环境空气在参考压力和温度下的密度，

Δh是燃气涡轮排气和到大气的烟道排放之间的高差，

v是烟道内的排气速度，

ttx_参考是参考排气温度，

ttx_实际是实际排气温度，

pamb_参考是参考环境压力，

pamb_实际是实际环境压力，

W排气_实际是实际排出气体质量流率，并且

a对于特定排气管道而言通常是恒定的。

在该示例性实施例中，假设废气成分在预混合模式操作中大体上恒定，并且因此，其密度在给定温度下大体上恒定。

废气质量流率可估计如下。假设压缩机空气质量流率独立于压缩机压力比，因为由该假设引入的误差对于排气压降估计的目的而言是可以忽略的。燃气涡轮的轴向压缩机空气质量流率可以通过下面的传递函数来估计：

W空气_实际 = SG_ha?p入口_实际/p入口_参考?(f₃?x³ + f₂?x² + f₁?x + f₀)?f₄?W空气_参考?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  如果 tnh_实际/tnh_参考 < tnh_阈值，

      a₄₂?z³ + b₄₂?z² + c₄₂?z + d₄₂  如果 tnh_实际/tnh_参考 ≥ tnh_阈值，

x = igv_实际/igv_参考，

y = tnh_实际/tnh_参考?(t入口_参考/t入口_实际)^0.5，

z = tnh_实际/tnh_参考?(t入口_参考/t入口_实际)，并且

a_i 和a_ij是特定应用的常量。

因为燃气涡轮配备有IBH系统，在一些部分负荷操作条件下，压缩机的空气质量流率的一部分再循环并且不进入排气管道。此外，燃料气体质量流率完全通过排气管道进入。因此，W排气_实际 = W空气_实际?(1- IBH_部分) + W燃料_实际。在该示例性实施例中，已经假设通向轴承的空气补偿来自冷却鼓风机的空气。

考虑到当燃气涡轮处于排气温度控制并且燃料/空气质量比对于特定燃料气体成分而言大体上恒定，燃料/空气质量流比可如下估计：

fa_比=W燃料_实际/W空气_实际 =W燃料_参考/W空气_参考?LHV_参考/LHV_实际 = fa_比参考? LHV_参考/LHV_实际。

IBH_部分是由控制面板产生的设定点，并且在系统不处于故障时被控制。然后，排气质量流率可被估计为：

W排气_实际 = W空气_实际?(1 - IBH_部分)?(1 + fa_比参考?LHV_参考/LHV_实际)。

潮湿空气SG_ha的比重可基于比湿度被估计如下：

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。

将该最终表达式乘以ρ_ha，获得下述公式：

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，或者

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

将该最终表达式除以m_ha

1= (1-sh)?SG_ha + sh?SG_ha/SG_wv，或者

SG_wv = SG_ha?((1-sh)?SG_wv + sh)。

最后，SG_ha = SG_wv/((1-sh)?SG_wv + sh)。

如果比湿度信号不可获得或者传送器处于故障模式，则该比湿度信号可由比湿度对环境温度的曲线取代，其由表1所示的数据的插值生成：

表1

在上述计算中使用了下列符号：

p入口_实际是压缩机入口处的实际空气压力，

p入口_参考是压缩机入口处的参考空气压力，

tamb是环境温度，

t入口_实际是压缩机入口处的实际空气温度，可利用至少两个热电偶测量，使得热电偶的最大读数被认为是t入口_实际，或者，在一个热电偶发生故障且/或读数差异过大(例如10F)的情况下，tamb被认为是t入口_实际，

t入口_参考是压缩机入口处的参考空气温度，

tnh_实际是压缩机实际速度，

tnh_参考是压缩机参考速度，

igv_实际是实际igv角度，

igv_参考是参考igv角度，

W空气_实际是压缩机入口处的实际空气质量流率，

W空气_参考是压缩机入口处的参考空气质量流率，

W排气_实际是实际排气质量流率，

W燃料_实际是燃料质量流率，

IBH_部分是从压缩机排放处抽出的空气的一部分，

fa_比参考是参考燃料空气质量比，

LHV_参考是参考气体燃料的LHV，

LHV_实际是实际气体燃料的LHV，

sh是空气比湿度，

SG_xx是xx(见下面列出的下标)的比重，

ρ_xx是xx(见下面列出的下标)的密度，

m_xx是xx(见下面列出的下标)的质量，

Vxx为xx(见下面列出的下标)的体积，

ha是潮湿空气，

wv是水蒸汽，并且

da是干燥的空气。

如上所述计算了比重、通过压缩机的质量流率以及其他参数，现在有可能计算涡轮压力比tpr。用于计算tpr的算法可概括如下： 

－ 如果sh 信号有效且可获得，则计算 SG_ha 为 SG_wv/((1-sh)?SG_wv + sh)，并且，如果sh传送器信号发生故障，则计算sh_default；

－ 假设x = igv_实际/igv_参考, y = tnh_实际/tnh_参考?(t入口_参考/t入口_实际)^0.5, 并且z = tnh_实际/tnh_参考?(t入口_参考/t入口_实际)；

－ 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 如果 tnh_实际/tnh_参考 < tnh_阈值，且

－       a₄₂?z³ + b₄₂?z² + c₄₂?z + d₄₂ 如果 tnh_实际/tnh_参考 ≥ tnh_阈值；

－ 限定W空气_实际 = SG_ha?p入口_实际/p入口_参考?(f₃?x³ + f₂?x² + f₁?x + f₀)?f₄?W空气_参考?k，

－ 估计W排气_实际 = W空气_实际?(1-IBH_部分)?(1 + fa_比参考?LHV_参考/LHV_实际)，

－ 计算ρ_空气 = ρ_空气参考?tamb_参考/tamb_实际?pamb_实际/pamb_参考，

－ 计算ρ_排气 = ρ_排气参考?ttx_参考/ttx_实际?pamb_实际/pamb_参考，

－ 计算 Δp_排气 = a_a?ρ_排气?v² - (ρ_空气 - ρ_排气)?Δh，以及

－ 估计tpr = cpd/(pamb_实际 + Δp_排气)，其中cpd 是绝对压缩机排放压力，其在该应用中被测量。

因此，在此阶段完全确定ttxh曲线104(见图6)。如果燃气涡轮的温度控制曲线已针对参考排气压降Δp_排气参考和参考入口压降Δp_入口参考而建立，则有可能通过使用修正项Δttxh来修正针对不同的排气和入口压降的温度控制曲线，例如实际情形，如上面已经论述的那样。

现在论述上面所述的温度控制逻辑的一个或更多优点。因为上面提出的用于控制燃气涡轮的整个过程是基于矩阵的，因而该过程是灵活的且允许容易的现场调整。在正常和高峰负荷操作期间，基于实际燃料的LHV(或者其他燃料特性，如果不同地指明)，该过程可偏置受控排气温度。基于该偏置，有可能更好地控制污染物排放、燃烧动力学和燃烧器的调低界限。

当启用高峰模式时，如果基本负荷动力足以覆盖被驱动的机械的动力需求，则燃气涡轮可停留在正常点火温度，并且如果基本负荷动力并未覆盖被驱动的机械的动力需求，则燃气涡轮可停留在高于点火。高峰点火值可由燃料特性来偏置。基于这种“智能”的行为，维持高峰模式始终启用，有可能将燃气涡轮配置为在修正的沃泊指数(MWI)基本负荷有变化的情况下更具反应性，并且/或者承担从任何操作点开始的更大的负荷增加(最大的运转备用)。

MWI由LHV_气体/(SG_气体 · T_气体)^0.5给出，其中LHV_气体为气体的较低热值，SG_气体为气体的比重，并且T_气体为燃料气体的温度。

根据图8所示的示例性实施例，有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：确定涡轮的排气处的涡轮排气压力的步骤800、测量压缩机处的压缩机压力排放的步骤802、基于涡轮排气压力和压缩机压力排放而确定涡轮压力比的步骤804、根据涡轮压力比计算涡轮的排气处的排气温度的步骤806、确定参考排气温度曲线在由排气温度和涡轮压力比限定的平面中的步骤808(其中参考排气温度曲线包括对于操作燃气涡轮而言最佳的那些点)、以及控制燃气涡轮以维持操作点在参考排气温度曲线上的步骤810。

作为备选，也可执行以下步骤，用于控制涡轮。燃气涡轮可具有入口导叶，其布置在压缩机的入口处并配置为用以调节进入压缩机的流体的量，以维持操作点在参考排气温度曲线上。燃气涡轮的处理器可配置为用以使用参考排气温度曲线来控制燃烧器的点火温度，其中，点火温度是涡轮的第一级喷嘴下游的燃烧产物的温度，或者计算归因于涡轮的烟道中的物质流动的涡轮排气压力，以及计算归因于烟囱效应的压力恢复，其中，烟囱效应归因于涡轮的排气和到大气的烟道排放之间的高差，以及将归因于物质流动的涡轮排气压力和压力恢复加在一起而获得涡轮排气压力。

涡轮排气压力可取决于：ρ_排气，其为排出气体在实际排气温度和实际环境压力下的密度；ρ_排气参考，其为排出气体在参考排气温度和参考环境压力下的密度；ρ_空气，其为环境空气在实际压力和温度下的密度；ρ_空气参考，其为环境空气在参考压力和温度下的密度；Δh，其为燃气涡轮排气和到大气的烟道排放之间的高差；v，其为烟道内的排气速度；ttx_参考，其为参考排气温度；ttx_实际，其为实际排气温度；pamb_参考，其为参考环境压力；pamb_实际，其为实际环境压力；p入口_实际，其为压缩机入口处的实际空气压力；p入口_参考，其为压缩机入口处的参考空气压力；tamb，其为环境温度；t入口_实际，其为压缩机入口处的实际空气温度；t入口_参考，其为压缩机入口处的参考空气温度；tnh_实际，其为压缩机实际速度；tnh_参考，其为压缩机参考速度；igv_实际，其为实际igv角度；igv_参考，其为参考igv角度；W空气_实际，其为压缩机入口处的实际空气质量流率；W空气_参考，其为压缩机入口处的参考空气质量流率；W排气_实际，其为实际的排气质量流率；W燃料_实际，其为燃料质量流率；IBH_部分，其为从压缩机排放处抽出的部分空气；fa_比参考，其为参考燃料空气质量比；LHV_参考，其为参考气体燃料的LHV；LHV_实际，其为实际气体燃料的LHV；sh，其为空气比湿度；ha，其为潮湿空气；wv，其为水蒸汽；da，其为干燥空气，SG_xx，其为ha、wv或 da的比重；ρ_xx，其为ha、wv或 da的密度；m_xx，其为ha、wv或 da的质量；以及V-_xx，其为ha、wv或 da的体积。

处理器可配置为用以将压缩机压力排放除以涡轮排气压力而获得涡轮压力比或者确认燃气涡轮的多个操作点在由排气温度和涡轮压力比限定的平面中；或者将多个双线性插值应用至所确认的多个点；以及确定针对贫气体的第一点集和针对富气体的第二点集。此外，该处理器可配置为用以将线性插值应用至第一集合和第二集合的点，这些点具有相同的涡轮压力比，或者将多变修正应用至线性插值的结果以计算设定点排气温度。

根据一示例性实施例，计算机可读介质包括计算机可执行指令，其中，该指令在执行时执行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。

根据一示例性实施例，表示在平面(ttx, tpr)中的排气温度参考曲线ttxh、排气温度阈值曲线ttxh和其他曲线可基于表征燃料而不是较低热值(LHV)的其他参数来计算。这样的参数可为，例如，NOx(氮氧化物)因素、上下可燃性比值(下可燃性限制是可燃物在支持自蔓延火焰的给定体积的燃料和空气(或其他氧化剂)的混合物中的最小百分比，并且上可燃性限制是可燃物在支持自蔓延火焰的给定体积中的最高百分比)，等等。换而言之，ttxh曲线在上面论述的一示例性实施例中被计算为ttxh = ttxha + Δttxh, 其中 ttxha = ttxhr?(LHV - LHVl)/(LHVr - LHVl) + ttxhl?(LHVr - LHV)/(LHVr - LHVl)。然而，ttxha取决于燃料的较低热值LHV，而并不取决于例如NOx因素、上下可燃性比值等。

因此，如果向燃气涡轮顺序地供给第一燃料和第二燃料(其具有相同的MWI指数但是不同的NOx因素)，则上面所论述的用于计算ttxh的算法对于NOx因素不敏感，因为该因素不是ttxha函数的部分。由于MWI因素取决于LHV(其反映在ttxha的方程中)，因而ttxha和隐含地ttxh曲线受燃料的MWI指数的变化影响。然而，由于第一燃料和第二燃料具有类似的MWI指数，因而基于LHV变量的ttxh曲线和其他曲线将不能“看出”不同燃料被提供至燃气涡轮。

出于这个原因，根据一示例性实施例，ttxh、ttxth和其他曲线可根据NOx因素、上下可燃性比值或者燃料的其他参数特性来计算。在一个应用中，相同的数学函数和算法可用于计算新的ttxh、ttxth曲线，但是LHV参数被新参数取代。然而，其他函数和/或算法可用于基于NOx因素、上下可燃性比值等来计算ttxh、ttxth和其他曲线。换而言之，控制器70可配置为用以计算多个平面(ttx, tpr)中的期望曲线，每一个对应于给定的燃料参数。

出于说明而不是限制的目的，在图9中显示了能够执行根据该示例性实施例的操作的代表性控制器900的示例。上面关于图2论述的控制器70可具有控制器900的结构。然而，应当认识到，所展示的示例性实施例的原理同样适用于处理器、计算机系统等。

示例性控制器900可包括处理/控制单元902，例如微处理器、精简指令集计算机(RISC)或者其他中央处理模块。处理单元902不必是单个装置，并且可包括一个或更多处理器。例如，处理单元902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。

处理单元902可如由可在储存器/存储器904中获得的程序所指示的那样控制系统的基本功能。因此，处理单元902可执行图8中所述的功能。更特定而言，储存器/存储器904可包括操作系统和用于在控制器上执行函数和应用的程序模块。例如，程序储存器可包括一个或更多只读存储器(ROM)、闪存ROM、可编程和/或可擦写ROM、随机存取存储器(RAM)、用户接口模块(SIM)、无线接口模块(WIM)、智能卡或者其他可移除存储设备等。还可将程序模块和关联特征经由数据信号传输至控制器900，例如经由网络(例如因特网)而电子下载。

可储存在储存器/存储器904中的其中一个程序是特定的程序906。如前所述，该特定程序906可储存燃气涡轮的相关参数，并且还可包括用于计算ttx_设定点及发送指令以关闭或打开IGV的指令等。可以在可借助于处理器902操作的软件和/或固件中执行程序906和关联特征。储存器/存储器904还可用来储存数据908，例如燃气涡轮的相关数据，或者与所展示的示例性实施例相关联的其他数据。在一个示例性实施例中，程序906和数据908储存在非易失性的可电擦除的可编程ROM(EEPROM)、闪存ROM等中，使得在并行计算系统900停电时信息不丢失。

处理器902还可联接至与动力设备中的控制站相关联的用户接口910元件。动力设备的用户接口910可包括例如显示器912(例如液晶显示器)、键盘914、扬声器916和麦克风918。这些和其他用户接口构件被联接至处理器902，如本领域中已知的那样。键盘914可包括字母数字键，用于执行多种功能，包括拨号以及执行分配至一个或更多键的操作。作为备选，可采用其他用户接口机构，例如语音命令、开关、触摸板/屏、使用指向装置的图形用户接口、轨迹球、操纵杆或任何其他用户接口机构。

控制器900还可包括数字信号处理器(DSP)920。DSP 920可执行多种功能，包括模数(A/D)转换、数模(D/A)转换、语音编码/解码、加密/解密、错误检测和修正、比特流转化、过滤等。通常联接至天线924的收发器922可发送和接收与无线设备相关联的无线电信号。

图9的控制器900是作为其中可应用所展示示例性实施例的原理的计算环境的代表性示例而提供的。根据本文提供的描述，本领域技术人员将认识到，本发明同样适用于各种其他目前已知的以及未来的移动和固定计算环境中。例如，特定应用906和关联特征以及数据908可以各种方式储存，可在各种处理设备上操作，并且可在具有额外的、较少的或者不同的支持电路和用户接口机构的移动设备中操作。应当注意，所展示示例性实施例的原理同样适用于非移动终端，即，固网计算系统。

所公开的示例性实施提供了燃气涡轮和用于基于新范式(例如排气温度对涡轮压力比)控制该燃气涡轮的方法。应当理解，该描述并不意图限制本发明。相反，示例性实施例意图覆盖被包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围中的备选方案、变型和等同物。此外，在示例性实施例的详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对要求保护的发明的全面理解。然而，本领域技术人员将会理解，许多实施例可在没有这样的具体细节的情况下实施。

虽然所展示的示例性实施例的特征和元件在实施例中以特定组合描述，但是，每个特征或元件可单独使用而不带有实施例的其他特征和元件，或者在不同组合中带有或不带有本文所公开的其他特征和元件。

本领域技术人员还将认识到，示例性实施例可作为方法或者以计算机程序产品体现在无线通信装置、动力设备中的控制站中。因此，示例性实施例可采取完全硬件实施例或者结合了硬件和软件方面的实施例的形式。此外，示例性实施例可采取储存在计算机可读存储介质上的计算机程序产品的形式，其具有在该介质中体现的计算机可读指令。可利用任何合适的计算机可读介质，包括硬盘、CD-ROM、数字多功能光盘(DVD)、光存储装置或磁性存储装置(例如软盘或磁带)。计算机可读介质的其他非限制性示例包括快闪存储器或其他已知的存储器。

虽然所展示的示例性实施例的特征和元件在实施例中以特定组合描述，但是，每个特征或元件可单独使用而不带有实施例的其他特征和元件，或者在不同组合中带有或不带有本文中公开的其他特征和元件。在本应用中提供的方法或流程图可在明白地体现在计算机可读存储介质中的计算机程序、软件或者固件中执行，用于由具体编程的计算机或处理器执行。

该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质不同的等同结构元件，则这种其它示例意图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：

      确定所述涡轮的排气处的涡轮排气压力；

      测量所述压缩机处的压缩机压力排放；

      基于所述涡轮排气压力和所述压缩机压力排放而确定涡轮压力比；

      根据所述涡轮压力比计算所述涡轮的排气处的排气温度；

      确认参考排气温度曲线在由所述排气温度和所述涡轮压力比限定的平面中，其中，所述参考排气温度曲线包括对于操作所述燃气涡轮而言最佳的那些点；以及

       控制所述燃气涡轮以维持所述操作点在所述参考排气温度曲线上。

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：

      调整布置在所述压缩机的入口处的入口导叶的角度，以维持所述操作点在所述参考排气温度曲线上。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

      使用所述参考排气温度曲线来控制所述燃烧器的点火温度，其中，所述点火温度是所述涡轮的第一级喷嘴下游的燃烧产物的温度。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述确定涡轮排气压力的步骤包括：

      计算归因于所述涡轮的烟道中的物质流动的排气压降；

      计算归因于烟囱效应的压力恢复，其中，所述烟囱效应归因于所述涡轮的排气和到大气的烟道排放之间的高差；以及

      将归因于所述物质流动的所述排气压降和所述压力恢复加在一起而获得所述涡轮排气压力。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述涡轮排气压力取决于：ρ_排气，其为所述排气在实际排气温度和实际环境压力下的密度；ρ_排气参考，其为所述排气在所述参考排气温度和参考环境压力下的密度；ρ_空气，其为所述环境空气在实际压力和温度下的密度；ρ_空气参考，其为所述环境空气在参考压力和温度下的密度；Δh，其为燃气涡轮排气和到大气的烟道排放之间的所述高差；v，其为所述烟道内的排气速度；ttx_参考，其为参考排气温度；ttx_实际，其为实际排气温度；pamb_参考，其为参考环境压力；pamb_实际，其为实际环境压力；p入口_实际，其为所述压缩机入口处的实际空气压力；p入口_参考，其为所述压缩机入口处的参考空气压力；tamb，其为环境温度；t入口_实际，其为所述压缩机入口处的实际空气温度；t入口_参考，其为所述压缩机入口处的参考空气温度；tnh_实际，其为所述压缩机的实际速度；tnh_参考，其为所述压缩机的参考速度；igv_实际，其为实际igv角度；igv_参考，其为参考igv角度；W空气_实际，其为所述压缩机入口处的实际空气质量流率；W空气_参考，其为所述压缩机入口处的参考空气质量流率；W排气_实际，其为实际排气质量流率；W燃料_实际，其为燃料质量流率；IBH_部分，其为从压缩机排放处抽出的空气的部分；fa_比参考，其为参考燃料空气质量比；LHV_参考，其为参考气体燃料的LHV；LHV_实际，其为实际气体燃料的LHV；sh，其为空气比湿度；ha，其为潮湿空气；wv，其为水蒸汽；da，其为干燥空气；SG_xx，其为ha、wv或 da的比重；ρ_xx，其为ha、wv或 da的密度；m_xx，其为ha、wv或 da的质量；以及V-_xx，其为ha、wv或 da的体积。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，确定所述涡轮压力比的所述步骤包括将所述压缩机压力排放除以所述涡轮排气压力而获得所述涡轮压力比。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，计算所述排气温度的所述步骤包括：

      确认用于所述燃气涡轮的多个操作点在由所述排气温度和所述涡轮压力比限定的平面中；

      将多个双线性插值应用至所确认的多个点；以及

      确定针对贫气体的第一点集和针对富气体的第二点集。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

      将线性插值应用至所述第一集合和所述第二集合中的点，所述点具有相同的涡轮压力比。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

      将多变修正应用至所述线性插值的结果，以计算设定点排气温度。

10.一种燃气涡轮，具有用于控制所述燃气涡轮的操作点的控制装置，所述燃气涡轮包括：

      压缩机，所述压缩机配置为用以压缩流体；

      燃烧器，所述燃烧器连接至所述压缩机的排放处并配置为用以混合压缩流体与燃料；

      至少一个涡轮，所述至少一个涡轮连接至所述压缩机并配置为用以使燃烧过的气体从所述燃烧器膨胀以产生动力至所述燃气涡轮的输出；

      压力传感器，所述压力传感器设置在所述压缩机的排放处，以测量压缩机压力排放；以及

      处理器，所述处理器与所述压力传感器通信并配置为用以：

      确定所述涡轮的排气处的涡轮排气压降，

      基于所述涡轮排气压力和所述压缩机压力排放而确定涡轮压力比；

      根据所述涡轮压力比计算所述涡轮的排气处的排气温度；

      确认参考排气温度曲线在由所述排气温度和所述涡轮压力比限定的平面中，其中，所述参考排气温度曲线包括对于操作所述燃气涡轮而言最佳的那些点；以及

      控制所述燃气涡轮以维持所述操作点在所述参考排气温度曲线上。

Images