CN102996424A - 用于模拟燃气轮机压缩机的系统及方法 - Google Patents

用于模拟燃气轮机压缩机的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于模拟燃气轮机压缩机的系统及方法。具体而言，公开了一种用于模拟燃气轮机的压缩机的方法。该方法大体上可包括基于燃气轮机的模型来确定压缩机的预测压力比和预测质量流量、监测压缩机的实际压力比和实际质量流量、确定预测压力比与实际压力比和预测质量流量与实际质量流量中的至少一个之间的差异值、使用误差校正系统来修正差异值以产生压缩机流动修正因子，以及使用压缩机流动修正因子来调整预测压力比和预测质量流量。

Description

用于模拟燃气轮机压缩机的系统及方法
技术领域
本主题大体上涉及用于燃气轮机的控制系统，并且更具体地涉及用于加强对燃气轮机压缩机的模拟的系统及方法。
背景技术
工业燃气轮机和发电燃气轮机具有监测和控制其操作的控制系统("控制器")。这些控制器管理燃气轮机的燃烧系统以及燃气轮机的其它操作方面。通常，控制器执行调整燃料流量、入口导叶(IGV)的角度以及其它控制输入的调度算法来确保燃气轮机安全和有效的操作。
燃气轮机控制器通常接收测量的操作参数和所期望的操作设置(例如，功率输出、排气能量等)的输入值，这些输入值结合调度算法来确定用于控制参数(例如，燃料流量、燃烧器燃料分流、IGV角度、入口流出热流量等)的设置，以实现燃气轮机的期望操作。通常认为的是，通过用于控制参数的调度算法所规定的值将导致燃气轮机在所期望的状态下操作，例如在所期望的功率输出水平下和在限定的排放极限内。因此，调度算法结合了关于燃气轮机例如在某一效率下、在某一流动能力下以及在其它假定条件下操作的假定。然而，当燃气轮机在延长的周期内操作时，构件效率趋于降低并且流动能力和其它操作条件不同于所假定的条件。由于这种恶化，调度算法变得日益失调并导致燃气轮机在从所期望的操作状态日益偏离的状态下操作。
为了校正在效率、流动能力和其它操作条件方面的变化，必须周期性地"调节"燃气轮机。通常，这必然伴有工程师或技术人员人工地调整燃气轮机，而这需要使燃气轮机脱机(或离线, off-line)以利用仪器装备进行调节。为了防止人工调节所需的停机时间，美国专利No.7,742,904(授予General Electric公司)公开了一种系统和方法，其自动地调整用于燃气轮机的数学模型来解决在燃气轮机的长期操作期间出现的变化(例如，在构件效率和流动能力方面的变化)。具体而言，该系统和方法使用在模拟的和感测的燃气轮机操作参数方面的差异来用卡尔曼滤波器增益矩阵产生校正因数，然后可用该校正因数来调整燃气轮机的数学模型。尽管美国专利No.7,742,904中公开的系统和方法提供了很多优点，但认识到可对此种系统和方法作出改进以进一步增强数学模型的精确度。例如，可执行对用于预测燃气轮机压缩机的操作参数的方法的具体改进来精细调节模型，且因此加强对压缩机的模拟。
因此，用于加强对燃气轮机压缩机的模拟的系统和方法将在本技术领域中受到欢迎。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或可根据该描述而清楚，或可通过实施本发明而懂得。
一方面，本主题公开了一种用于模拟燃气轮机的压缩机的方法。该方法大体上可包括基于燃气轮机的模型来确定压缩机的预测压力比和预测质量流量、监测压缩机的实际压力比和实际质量流量、确定预测压力比与实际压力比和预测质量流量与实际质量流量中的至少一个之间的差异值、使用误差校正系统来修正差异值以产生压缩机流动修正因子(modifier)，以及使用压缩机流动修正因子来调整预测压力比和预测质量流量。
另一方面，本主题公开了一种用于模拟燃气轮机的压缩机的方法。该方法大体上可包括基于燃气轮机的模型来确定压缩机的预测压力比、基于模型的压缩机特性图(map)而使用预测压力比来确定压缩机的预测质量流量、监测压缩机的实际压力比和实际质量流量、确定预测压力比与实际压力比和预测质量流量与实际质量流量中的至少一个之间的差异值、使用误差校正系统来修正差异值以产生压缩机流动修正因子，以及使用压缩机流动修正因子来调整结合压缩机特性图使用的预测压力比以确定预测质量流量。
另一方面，本主题公开了一种用于模拟燃气轮机的压缩机的系统。该系统大体上可包括构造成用以监测压缩机的实际压力比和实际质量流量的多个传感器以及通信地联接到传感器上的控制器。控制器可构造成用以基于燃气轮机的模型而产生压缩机的预测压力比和预测质量流量。此外，控制器可构造成用以确定预测压力比与实际压力比和预测质量流量和实际质量流量中的至少一个之间的差异值。控制器还可构造成用以将误差校正系统应用于差异值以便产生压缩机流动修正因子，其中，压缩机流动修正因子由控制器用来调整预测压力比和预测质量流量。 
本发明的这些及其它特征、方面和优点将参照以下描述和所附权利要求而变得更好理解。并入本说明书且构成说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，且结合描述一起来解释本发明的原理。
附图说明
参照附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的、包括其最佳模式的本发明的完整和能够实施的公开内容，在附图中：
图1示出了燃气轮机的一个实施例的示意图； 
图2示出了燃气轮机、燃气轮机模型和用于燃气轮机模型的误差校正系统的一个实施例的高级框图；
图3示出了类似于图2中所示的框图，但包括误差校正系统的一个实施例的更详细的流程图；
图4示出了用于模拟燃气轮机压缩机的方法的一个实施例的流程图；以及
图5示出了使压缩机压力比与压缩机质量流量相关联的压缩机特性图的一个实施例。
零件清单
10 燃气轮机
12 压缩机
14 (多个)燃烧器
16 涡轮
18 发电机
20 入口导管
22 导叶
24 排气导管
26 控制器
28 促动器
30 促动器
32 燃料控制系统
34 传感器
36 模型
38 基本输入
40 主输出
42 输出
44 调节输入
46 误差校正系统
48 归一化(或标准化，normalized)
50 比较
52 差异信号
54 KFGM-K
56 调整因数
58 调节因数
60 MSM
62 乘数
64 模型
66 计算
68 归一化
70 计算
72 求和
74 先前的调整因数
76 非归一化
78 性能修正因子
100 方法
102 方法元素
104 方法元素
106 方法元素
108 方法元素
110 方法元素
120 压缩机特性图
122 操作线
124 速度线
128 虚线
130 点
132 速度线
134 点。
具体实施方式
现将更为详细地参照本发明的实施例，在附图中示出了其中的一个或多个实例。各实例均是通过解释本发明的方式提供而非对本发明进行限制。实际上，本领域的技术人员将清楚的是在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行各种修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可结合另一个实施例来使用，以产生又一个实施例。因此，期望的是本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的这些修改和变型。
总体上，本主题公开了一种使用适应性燃气轮机模型来估计操作中燃气轮机的操作参数的燃气轮机控制系统及方法。具体而言，燃气轮机模型可构造成用以估计直接地测量或感测的燃气轮机的压缩机的操作参数(以及燃气轮机的其它构件的操作参数)，然后可将这些操作参数与此类操作参数的对应的测量值或感测值相比较。然后，此类估计参数与实际参数的比较可在燃气轮机继续操作时用于自动地调节模型。具体而言，在若干实施例中，此类估计参数与实际参数的比较可用于确定压缩机流动修正因子，然后可将该压缩机流动修正因子应用于模型来调整压缩机的预测操作参数。
大体上，应当认识到的是，燃气轮机模型可接收作为输入参数的测量操作条件(例如，环境压力、环境温度、入口压力差、排气压力差、环境比湿度、压缩机入口温度、入口导叶角度、入口流出热流量、燃料流量、燃料温度、发电机速度、第一级喷嘴面积、发电机功率损失、入口导管压力损失以及排气导管压力损失等)。然后，燃气轮机模型可产生用于燃气轮机的估计或预测操作参数。例如，如上文所述，模型可产生用于压缩机的预测操作参数，例如压缩机质量流量、压缩机压力比(即，压缩机入口压力与压缩机排出压力的比)等。此外，模型可产生其它预测操作参数，例如排气温度、压缩机排出温度、功率输出等。然后，预测操作参数可结合对应的测量操作参数使用来控制燃气轮机。例如，测量操作参数和预测操作参数可输入至控制调度以设置燃气轮机的操作状态(例如，所期望的涡轮排气温度、总体燃烧器燃料流量、燃料分流调度、入口流出热流等)。此外，如下文将更为详细描述的那样，测量操作参数和估计操作参数可用于评估模型的精确度和/或用于调节模型。
燃气轮机模型可使用误差校正系统来有规则地、自动地和实时地调节。在若干实施例中，误差校正系统可包括卡尔曼滤波器。大体上，卡尔曼滤波器可接收指示来自于各种传感器的测量操作参数与输出自模型的预测操作参数之间差异的输入信号。卡尔曼滤波器还可接收卡尔曼滤波器增益矩阵(KFGM)作为输入，其中，卡尔曼滤波器增益矩阵大体上对应于代表模型估计参数相对于模型性能乘数变化的不确定性加权灵敏度的一组数字。具体而言，KFGM可通过一组数学等式来计算。这些等式可接收模型灵敏度矩阵(MSM)以及模型和测量不确定性的估值作为输入。MSM可通过控制驻留燃气轮机模型的干扰和评估来在线实时计算。卡尔曼滤波器可使用所供送的输入来产生性能修正因子(例如，性能乘数)，然后该性能修正因子可用于调节模型和提高所估计的燃气轮机参数的精确度。例如，卡尔曼滤波器可优化修正因子值来最大限度地减小估计操作参数与测量操作参数之间的差异。
通过使用卡尔曼滤波器，燃气轮机模型可适应变化的效率、流动能力以及实际燃气轮机的其它参数。具体而言，通过卡尔曼滤波器产生的输出性能修正因子使模型适于更好地匹配燃气轮机的测量参数。此外，卡尔曼滤波器调节模型以便例如解决在延长操作期间出现的构件效率恶化、稀释流动以及燃气轮机的空气流动能力方面的变化。
应当认识到的是，由于在线和实时地计算MSM和KFGM，卡尔曼滤波器结构或许还能够适应可用传感器的数目变化和可用于与模型的估计输出参数相比较的测量输出参数的类型变化。例如，当不再测量燃气轮机的操作参数时，例如由于传感器故障，则可修改卡尔曼滤波器结构来解决测量参数的丢失，且因此可继续基于燃气轮机的剩余测量条件来产生性能乘数。
现在参看附图，图1示出了燃气轮机10的一个实施例的简化示意图。通常，燃气轮机10可包括压缩机12、一个或多个燃烧器14以及传动地联接到压缩机12上的涡轮16。在燃气轮机10的操作期间，压缩机12将压缩空气供给至(多个)燃烧器14。压缩空气与燃料相混合并在(多个)燃烧器14内燃烧，且热燃烧气体从(多个)燃烧器14流至涡轮16以便使涡轮16转动和例如通过驱动发电机18来做功。
此外，燃气轮机10可包括入口导管20，入口导管20构造成用以将环境空气和可能喷射的水供送至压缩机12。入口导管20可具有导管、过滤器、筛网和/或吸声装置，它们促进流经入口20并进入压缩机12的一个或多个入口导叶22中的环境空气的压力损失。此外，燃气轮机10可包括排气导管24，排气导管24构造成用以引送来自于涡轮16出口的燃烧气体。排气导管24可包括吸声材料和将背压施加至涡轮16的排放控制装置。入口压力损失和背压的大小可由于将构件加装至导管20,24和/或由于灰尘和/或污垢堵塞入口导管20和排气导管24而随着时间的推移发生变化。
此外，燃气轮机10还可包括控制器26。通常，控制器26可包括能够如文中所述那样起作用的任何适合的处理单元(例如，计算机或其它计算装置)。例如，在若干实施例中，控制器26可包括General Electric SPEEDTRONIC燃气轮机控制系统，例如在由GE Industrial & Power Systems (Schenectady, N.Y)出版的Rowen,W.I.所著"SPEEDTRONIC Mark V Gas Turbine Control System"(GE-3658D)中所述。控制器26通常可包括一个或多个处理器，这些处理器执行程序例如储存在控制器的存储器中的计算机可读指令以便使用传感器输入和来自于操作人员的指令来控制燃气轮机10的操作。例如，由控制器26执行的程序可包括用于调控通向(多个)燃烧器14的燃料流的调度算法。作为另一实例，由控制器26产生的命令可促使燃气轮机上的促动器例如调整位于燃料供送源与(多个)燃烧器14之间的阀(例如，促动器28)，这些阀调控流至燃烧器14的流动、燃料分流和燃料类型、调整压缩机12的入口导叶22的角度(例如，通过使用促动器30)，和/或用以激活对于燃气轮机10的其它控制设置。
调度算法可使控制器26能够例如将涡轮排气中的NOx和CO排放物保持在某一预定排放极限内，以及将燃烧器点火温度保持在预定的温度极限内。因此，应当认识到的是，调度算法可使用各种操作参数作为输入。然后，控制器26可应用该算法来调度燃气轮机10(例如，用以设置所期望的涡轮排气温度和燃烧器燃料分流)以便满足性能目标，同时遵循燃气轮机10的可操作性边界。
仍参看图1，燃料控制系统32可构造成用以调控从燃料供送源流至(多个)燃烧器14的燃料、流入主燃料喷嘴和副燃烧喷嘴中的燃料之间的分流和/或与流入(多个)燃烧器14的燃烧室中的二次空气相混合的燃料量。燃料控制系统32还可适于选择用于(多个)燃烧器14的燃料类型。应当认识到的是，燃料控制系统32可构造为单独的单元或者可包括主涡轮控制器26的构件。
此外，在本主题的若干实施例中，燃气轮机10的操作可通过检测燃气轮机10、发电机18和/或周围环境的各种操作参数的多个传感器34来监测。在许多情形中，两个或多个传感器34可用于测量相同的操作参数。例如，多个冗余的温度传感器34可监测环境空气温度、压缩机入口温度、压缩机排出温度、涡轮排气温度、燃料温度和/或流经燃气轮机10的流体的其它温度。类似的是，多个冗余的压力传感器34可监测环境空气压力，以及在压缩机的入口和出口、涡轮排气口以及流体正流经燃气轮机10的其它位置处的静压水平和动压水平。此外，多个冗余的湿度传感器34(例如，干湿球温度计)可测量压缩机12的入口导管20内的环境比湿度。此外，多个冗余的传感器34还可包括流量传感器(例如，燃料流量传感器、空气流量传感器、入口流出热流量传感器、其它质量流量传感器等)、速度传感器(例如，涡轮轴速度传感器)、火焰检测传感器、阀位置传感器、导叶角度传感器和/或感测关于燃气轮机12的操作的各种其它参数的类似装置。
如上文指出那样，在本主题的若干实施例中，压缩机12的一个或多个操作参数(例如，压缩机质量流量、压缩机压力比等)可通过控制器26来监测。因此，多个传感器34可设置在压缩机12内和/或邻近压缩机12的各种位置处，以便允许监测此类操作参数。例如，一个或多个压力传感器34(例如，多个冗余的压力传感器34)可设置在压缩机入口和压缩机出口内和/或邻近压缩机入口和压缩机出口，以便允许监测压缩机的压力比。类似的是，一个或多个流量传感器34(例如，多个冗余的流量传感器34)可设置在压缩机12内和/或邻近压缩机12，以便允许监测经过压缩机12的质量流量。
还应当认识到的是，如本文所用，用语"参数"是指可用于限定燃气轮机10的操作条件的(多个)项目，例如在燃气轮机10中的限定位置处的温度、压力、空气流量、气体流量、气体浓度、涡轮速度、湿度等。一些参数可以测量(例如，使用传感器34)且因此可直接知晓。其它参数可使用燃气轮机模型来估计且因此可间接地知晓。测量的参数和/或估计的参数可大体上用于代表给定的涡轮操作状态。
现在参看图2，根据本主题的方面示出了燃气轮机10和适应性实时发动机模拟模型36(ARES)的一个实施例的高级框图，其中，模拟模型36构造成用以对燃气轮机10的若干操作参数进行电子地实时建模。如图所示，燃气轮机10具有文中称为"基本输入"(ū)38的若干可观测参数。基本输入38可通过传感器(例如，传感器34)来直接地测量并且可包括(而不限于)：环境条件，例如环境空气压力(PAMB)和环境空气温度(TAMB)、入口压力差(DP-inlet)(即，环境空气压力与离开入口导管26并进入压缩机20的空气的压力之间的压力差)、排气压力差(DP-exhaust)(即，环境空气压力与流经排气导管30的排出气体的压力之间的压力差)、环境空气的比湿度(SPHUM)、压缩机入口温度(CTIM)、入口导叶28(IGV)的角度、入口流出热流量(IBH)(即，再次引送至压缩机入口的压缩机流量的百分比)、供给至(多个)燃烧器22的燃料的流速(W-FUEL)、燃料的温度(T-FUEL)、涡轮轴的转速(SPEED)、涡轮24的第一级喷嘴的有效面积(S1NA)以及发电机18的功率因数(PFACT)。
所列的基本输入38是示例性的，且仅是用来示出可收集的感测输入的一个实例。因此，应当认识到的是，模型36的特定基本输入38对于本公开内容并不重要，且例如可取决于所用的控制器26的类型、应用的特定模型36和/或在具体燃气轮机设施处可用的传感器(34)而变化。换言之，还应当认识到的是，用语"基本"并不暗示或要求每一个上述测量参数都必须输入到文中所公开的燃气轮机模型36中，或任何此种燃气轮机模型36都必须具有这些输入。因此，基本输入38可仅包括上文所述测量参数中的一些和/或可包括燃气轮机10的其它测量操作参数。用语“基本输入”38仅表示对于文中所公开模型36的具体实施例而言，这些输入可通过对实际涡轮条件的测量而获得并可作为输入应用于模型36。
如图2中所示，基本输入38可输入到模型36中且可由模型36应用以产生对应于燃气轮机10的预测操作参数的输出值(?和?ext)40,42。具体而言，输出值可包括主模拟输出(?)40，其可与燃气轮机10的对应的测量操作参数(?)44(即，调节输入)相比较。此外，模拟输出值可包括扩展模拟输出(?ext)42，其对应于非直接地测量的预测燃气轮机参数(例如，所期望的燃料流速、火焰温度等)。扩展模拟输出42可由控制器26用来操作和/或控制燃气轮机10，例如通过应用所期望的燃料流速来控制通向(多个)燃烧器14的实际燃料流速。
为了确保模拟输出(?和?ext)40,42精确地预测燃气轮机10的操作参数，主模拟输出40和它们的对应调节输入44可应用于构造成用以自动地且有规则地调节模型36的误差校正系统46。然后，模拟输出40,42可用于控制燃气轮机10、调度维护和/或预测燃气轮机10的性能。
如示出的实施例中所示，主模拟输出40可包括但不限于模拟压缩机质量流量(CFLOW_MOD)、模拟压缩机压力比(CPR_MOD)、模拟功率输出(POW_MOD)(如，输出至发电机18)、模拟涡轮排气温度(TTXM_MOD)以及模拟压缩机排出温度(CTD_MOD)。然而，在备选实施例中，应当认识到的是，主模拟输出40可为任何其它适合数目和/或组合的操作参数，这些操作参数可通过模型36预测和使用设置在燃气轮机10上或燃气轮机10内的一个或多个传感器测得。还应当认识到的是，如果例如传感器故障且对应于主模拟输出40的调节输入44不再可用于比较，则主模拟输出40可在燃气轮机10的操作期间变化。
如上文指出那样，各个主模拟输出40均可对应于燃气轮机10的测量操作参数或感测操作参数(?)44(即，调节输入)。例如，在所示的实施例中，调节输入44包括实际压缩机质量流量(CFLOW_A)、实际压缩机压力比(CPR_A)、实际功率输出(POW_A)、实际涡轮排气温度(TTXM_A)以及实际压缩机排出温度(CTD_A)。这些调节输入44中的各个输入均可基于监测燃气轮机10的对应实际参数的传感器(例如，传感器34)的输出信号。如上文指出那样，多个冗余传感器可观测各个测量参数。此外，应当认识到的是，调节输入44可在燃气轮机与燃气轮机之间而有所不同。因此，调节输入44可基于例如所用的控制器26的类型、应用的特定模型36和/或在具体燃气轮机设施处可用的传感器(34)来选择。
还应当认识到的是，模型36大体上可包括计算机执行的燃气轮机10的数学模型。例如，模型36可包括主模拟输出40和扩展模拟输出42的数学表示的布置，以及储存在控制器26的存储器内的关于燃气轮机10的多个假定，其中数学表示和/或假定用于产生对一个或多个模拟输出40,42的估计值。具体而言，在若干实施例中，模型36可包括燃气轮机10的基于物理的空气热动力计算机模型、燃气轮机10的回归拟合模型、燃气轮机10的神经网络模型，或燃气轮机12的任何其它适合的数学模型。还应当认识到的是，此种模型36的进展也在本领域普通技术人员的能力范围内，且因此不必在文中描述。
仍参看图2，如上文指出那样，主模拟输出40可与调节输入44相比较以便调节模型36。具体而言，主模拟输出40和调节输入44可归一化48以产生归一化的模拟输出(?)和归一化的调节输出(?)。然后，各个对应的归一化输出对(?,?)可进行比较50(例如，CFLOW_MOD可与CFLOW_A相比较)，以便产生差异信号(Δ(?,?))52，例如(Δ(CFLOW_MOD, CFLOW_A))。差异信号52大体上可表示模拟输出参数40相对于调节输入44的误差。例如，在一个实施例中，差异信号52可表示压缩机12的预测质量流量与压缩机12的实际质量流量之间的误差。
应当认识到的是，在若干实施例中，可存在对应于各个主模拟输出40的至少一个差异信号52，和/或可存在对应于测量调节输入44的特定参数的各个冗余传感器的差异信号52。此外，应当认识到的是，对于各个主模拟输出40而言可能需要至少一个调节输入44来产生差异信号52。因此，如果一个或多个调节输入44不可用(例如，由于传感器故障)，则可产生对应的差异信号52，但误差校正系统46仍可操作以调节模型36。
此外，误差校正系统46可用于基于差异信号52而产生用于模型36的校正因数或修正因子。例如，在若干实施例中，卡尔曼滤波器增益矩阵(KFGM-K)54可接收差异信号52作为输入，以便产生校正的且归一化的差异信号(即，归一化的调整校正因数(?)56)，该差异信号可用于调节燃气轮机模型36。如图3中所示，KFGM 54可应用调节因数58来调整差异信号52和产生归一化的校正因数56。在一个实施例中，相对较大数目的差异信号52(例如，用于各个调节输入44的冗余传感器输出)可使KFGM 54能够产生归一化的校正因数56，其中，校正因数56可用于精确地调节模型36和确保模型36产生精确的输出值40,42。
应当认识到的是，差异信号52的损失可降低(但不会消除)KFGM 54调节模型36的能力。具体而言，KFGM 54的适应能力可使其能够继续以减少的差异信号52组来调节模型36。为了在一个或多个差异信号52不可用时自动地调节模型36，可修改KFGM 54来解决(多个)差异信号52的损失。因此，即使在传感器故障和关于可观测操作参数的调节输入数据不可用时，燃气轮机10也可继续操作并自动地调节。
现在参看图3，根据本主题的方面示出了由其可产生KFGM 54的机理的一个实施例。如图所示，可通过将一系列输入(例如，基本输入38)和一系列扰乱性能乘数62(?prt)(例如，扰乱的校正且归一化的差异信号52)应用于燃气轮机模型64(例如，模型36)来确定模型灵敏度矩阵(MSM)(a,h)60。模型64的主输出的灵敏度可通过偏导数分析66来确定。此外，灵敏度值可经归一化68来形成MSM(a,h)60。MSM 60可用于在线过滤增益计算70(例如，卡尔曼滤波器等式)来确定最佳的调节因数58(例如，增益值)的矩阵，其中，调节因数58可应用于差异信号52，该差异信号52对应于测量的调节输入44与通过模型36预测的对应值40之间的差异。
图3中示出了用于在线过滤增益计算70的卡尔曼滤波器等式。此类等式的使用作为最佳回归数据处理算法为本领域技术人员所广为公知。
如图3中所示，KFGM 54可接收一个或多个调节因数58，其中，调节因数58可应用于差异信号52来产生归一化的调整校正因数56。然后，归一化的校正因数56可与先前的归一化校正因数(Z-1)74求和72来平均当前校正因数56与先前校正因数74之间的差异。然后，可使平均的校正因数非归一化76以产生性能修正因子78(也是非归一化的校正因数)，其中，修正因子78可包括例如构件效率修正因子，例如压缩机效率修正因子(KCMP_ETA)和涡轮效率修正因子(KTRB_ETA)，以及流动能力修正因子，例如压缩机流动修正因子(KCMP_FLW)和热消耗修正因子(KF_FLW)(例如，预测热消耗与实际热消耗的比)。然后，非归一化的校正因数或性能修正因子78可作为例如乘数和/或比例附加(add-on)而应用于燃气轮机模型36，该乘数和/或比例附加可应用于模拟燃气轮机10和产生模拟输出40,42的等式和/或算法。具体而言，性能修正因子78可通过调整等式和/或算法来调节模型36，以便它们产生精确地代表燃气轮机10的实际操作的模拟输出40,42。例如，如下文参照图4和图5描述的那样，压缩机流动修正因子(KCMP_FLW)可用于调整由模型36所预测的压缩机压力比和压缩机质量流量，以便更精确地模拟压缩机12的操作。然后，模拟输出40,42可用于确定通向燃气轮机10的燃料流量和空气流量、用于确定通向燃气轮机10的其它控制输入、用于确定燃气轮机10的功率输出和/或用于确定燃气轮机10的任何其它操作参数。
现参看图4，根据本主题的方面示出了使用上文参照图2和图3描述的模型36和误差校正系统46来加强对燃气轮机压缩机12的模拟的方法100的一个实施例。如图所示，方法100大体上包括基于燃气轮机的模型来确定压缩机的预测压力比和预测质量流量102、监测压缩机的实际压力比和实际质量流量104、确定预测压力比与实际压力比和预测质量流量与实际质量流量中的至少一个之间的差异值106、使用误差校正系统来修正差异值以产生压缩机流动修正因子108，以及使用压缩机流动修正因子来调整预测压力比和预测质量流量110。
大体上，所公开的方法100可用于精细调节燃气轮机模型36，以便提供对压缩机12的操作的更为精确的表示。具体而言，通过使用来自于误差校正系统46的压缩机流动修正因子输出来调整由模型36所预测的压缩机压力比和压缩机质量流量，所公开的方法100可提供用于使模型36适于更精确地解决可能出现在压缩机12上或压缩机12内的劣化和/或磨损和破裂的手段。
如图4中所示，在102中，可使用燃气轮机模型36来确定预测压缩机压力比和预测压缩机质量流量。如上文指出那样，模型36大体上可用于使用提供给模型36的任何输入(例如，基本输入38)和/假定来估计燃气轮机100的操作参数。例如，可使用任何适合的操作参数(例如，环境空气压力(PAMB)、入口压力差(DP-inlet)、环境空气的比湿度(SPHUM)、入口导叶28(IGV)的角度、入口流出热流量(IBH)和/或各种其它操作参数)由模型36来预测压缩机压力比，这些操作参数可输入模型36中并用来基于形成模型36的一部分的数学表示和/或假定来计算压力比。类似的是，可使用输入模型36中的任何数目的适合操作参数和/或假定来由模型36预测压缩机质量流量。
在本主题的若干实施例中，可使用预测的压缩机压力比由模型36来预测压缩机质量流量。具体而言，模型36的等式和/或算法可适于基于燃气轮机10的给定操作状态使预测的压缩机压力比与压缩机质量流量相关。例如，图5示出了压缩机特性图120的一个实施例，该特性图120可用于在给定的操作状态(例如，给定的IGV角度)下使预测的压缩机压力比与预测的压缩机质量流量相关。换言之，压缩机特性图120可大体上对应于可由模型36用来基于压缩机压力比而预测压缩机质量流量的等式和/或算法的图解表示。如图5中所示，操作线122提供在压缩机特性图120上，大体上示出了对于理想压缩机(例如，没有劣化或缺陷的新压缩机)而言压缩机压力比与压缩机质量流量之间的操作关系。因此，对于在给定操作速度(由等速线124表示)和特定预测压力比下的此种理想压缩机而言，可确定大体上对应于沿操作线122的点126的压缩机12的预测质量流量。然而，如下文将描述的那样，可调整压缩机12的预测质量流量来解决压缩机12的劣化和/或磨损和破裂。
返回参看图4，在104中，监测实际压缩机压力比和实际压缩机质量流量。如上文指出那样，此类操作参数可使用设置在压缩机12内和/或压缩机12附近的多个传感器(例如，传感器34)来监测。具体而言，这些传感器可传送适合的质量流量和压力测量结果至涡轮控制器26来用于随后的分析和/或处理(例如，通过使用测量结果来确定在所公开方法100的106中阐述的差异值)。
此外，在106和108中，可确定预测压力比与实际压力比和预测质量流量与实际质量流量中的至少一个之间的差异值，其中此类差异值然后使用误差校正系统来修正以产生压缩机流动修正因子。例如，如上文参看图2和图3所述，通过比较预测压缩机操作条件和测量压缩机操作条件而获得的差异值52可输入卡尔曼滤波器增益矩阵(KFGM-K)54中，以便产生校正的差异信号和归一化的差异信号(即，归一化的调整校正因数(?)56)。然后，此类校正因数56可经处理(例如，与先前的校正因数求和和/或求平均数、非归一化等)以便产生压缩机流动修正因子和/或任何其它适合的性能修正因子78。
此外，在110中，压缩机流动修正因子可用于调整预测压缩机压力比和预测压缩机质量流量。具体而言，压缩机流动修正因子可用于调整所公开的模型36如何预测压缩机压力比和压缩机质量流量，以便此类预测操作参数可更为精确地代表压缩机12的实际压力比和实际质量流量。
举例来说，压缩机12在给定操作速度下的实际质量流量可由于出现在压缩机12上或压缩机12内的劣化和/或磨损和破裂(例如，由于压缩机12内的翼型件的粗糙度增大和/或由于压缩机12的构件上的其它磨损和破裂)而随着时间的推移减小。因此，为了确保通过模型36输出的预测压缩机质量流量提供对经过压缩机12的实际质量流量的精确估计，压缩机流动修正因子可用于调整预测质量流量。例如，如图5中所示，压缩机流动修正因子可通过横跨压缩机特性图120移动等速线124(例如，通过改变预测压缩机质量流量，直到质量流量满足对于出现在燃气轮机10内的整个热动力循环的连续性)来用于调整预测压缩机质量流量，以便解决出现在压缩机12上或压缩机12内的劣化和/或磨损和破裂。然而，如图5中所示，如果压缩机质量流量为使用压缩机流动修正因子而调整(例如，通过在恒定的压缩机压力比下将等速线从124移动至虚线128)的唯一参数，则可在压缩机特性图120上的明显偏离正常操作线122的点130处限定对应的预测压缩机质量流量。因此，由模型36预测的压缩机质量流量可明显不同于实际压缩机质量流量(至少部分地由于压缩机特性图的失真(distortion))，这会对压缩机12的实际效率提供不准确的表示，从而影响由控制器26应用的调度算法和其它控制设置。
因此，根据本主题的方面，压缩机流动修正因子还可用来调整预测压缩机压力比，其中，该调整的压力比然后用于预测压缩机质量流量。例如，在若干实施例中，由模型36预测的压缩机压力比可基于压缩机流动修正因子和增益因数。具体而言，在特定实施例中，模型36可根据以下等式来预测压缩机压力比：
其中，PR_PRED对应于当前机器状态下的预测压力比，PR_MAP对应于由模型36预测的未调整的压力比(例如，假定理想压缩机的未调整的预测压力比)，KCMP_FLW对应于输入模型36中的当前压缩机流动修正因子，以及GAIN对应于提供至模型36的增益因数。
通过使用压缩机流动修正因子来调整预测压力比，由模型36预测的压缩机质量流量可更为精确地表示压缩机12的实际质量流量。具体而言，如图5中所示，通过相应地调整预测压力比(例如，通过使用上述等式)，在根据压缩机流动修正因子和调整的压力比来将等速线从124移动至132之后，对应的预测压缩机质量流量可限定在压缩机特性图120上的更为接近正常操作线122的点134处。结果，使用压缩机流动修正因子对模型36进行的调整可更为接近地跟随压缩机12的实际操作条件，从而显著地提高整个模型36的精确度。换言之，修正可实际上反映出现在压缩机12内或压缩机12上的劣化和/或磨损和破裂，而不是简单地反映压缩机特性图120的失真。
应当认识到的是，增益因数可大体上对应于一预定值，该预定值可用于通过在压缩机压力比的调整中提供附加的灵活性来相对于压缩机12的操作进一步调节模型的精确度。因此，可基于对本主题与其一起使用的特定燃气轮机10的操作的理解来选择增益因数。例如，在一个实施例中，增益因数可等于1。然而，在其它实施例中，增益因数可为任何其它数字，如大于1的数字或小于1的数字。
还应当认识到的是，本主题的技术效果在于改善燃气轮机10的控制、性能和/或操作。具体而言，通过使用压缩机流动修正因子来调整由燃气轮机模型36所预测的压缩机压力比和质量流量，可更为精确地模拟压缩机12的操作，从而加强对于燃气轮机10的控制、性能和/或操作。
本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，并且还使本领域的任何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所结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员构想出的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求的字面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字面语言无实质差异的同等结构元件，则认为这些实例在权利要求的范围之内。

Claims (20)

1.一种用于模拟燃气轮机的压缩机的方法，所述方法包括：
基于所述燃气轮机的模型来确定所述压缩机的预测压力比和预测质量流量；
监测所述压缩机的实际压力比和实际质量流量；
确定所述预测压力比与所述实际压力比和所述预测质量流量与所述实际质量流量中的至少一个之间的差异值；
使用误差校正系统来修正所述差异值以产生压缩机流动修正因子；
使用所述压缩机流动修正因子来调整所述预测压力比和所述预测质量流量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述燃气轮机的模型来确定所述压缩机的预测压力比和预测质量流量包括基于所述模型的压缩机特性图来确定所述预测质量流量，所述压缩机特性图使所述预测压力比与所述预测质量流量相关。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，使用所述压缩机流动修正因子来调整所述预测压力比和所述预测质量流量包括使用所述压缩机流动修正因子来调整结合所述压缩机特性图使用的所述预测压力比以确定所述预测质量流量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用所述压缩机流动修正因子来调整所述预测压力比和所述预测质量流量包括调整随所述压缩机流动修正因子和增益因数而变化的所述预测压力比。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，调整随所述压缩机流动修正因子和增益因数而变化的所述预测压力比包括根据以下等式调整所述预测压力比：
其中，PR_PRED对应于所述预测压力比，PR_MAP对应于未调整的压力比，KCMP_FLW对应于所述压缩机流动修正因子，以及GAIN对应于所述增益因数。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用误差校正系统来修正所述差异值以产生压缩机流动修正因子包括使用在所述燃气轮机的操作期间实时地持续产生的卡尔曼滤波器增益矩阵来修正所述差异值以产生所述压缩机流动修正因子。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，监测所述压缩机的实际压力比和实际质量流量包括利用设置在所述压缩机内或所述压缩机附近的多个传感器来监测所述实际压力比和所述实际质量流量。
8.一种用于模拟燃气轮机的压缩机的方法，所述方法包括：
基于所述燃气轮机的模型来确定所述压缩机的预测压力比；
使用所述预测压力比来基于所述模型的压缩机特性图而确定所述压缩机的预测质量流量；
监测所述压缩机的实际压力比和实际质量流量；
确定所述预测压力比与所述实际压力比和所述预测质量流量与所述实际质量流量中的至少一个之间的差异值；
使用误差校正系统来修正所述差异值以产生压缩机流动修正因子；
使用所述压缩机流动修正因子来调整结合所述压缩机特性图使用的所述预测压力比以确定所述预测质量流量。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，使用所述压缩机流动修正因子来调整结合所述压缩机特性图使用的所述预测压力比来确定所述预测质量流量包括调整随所述压缩机流动修正因子和增益因数而变化的所述预测压力比。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，调整随所述压缩机流动修正因子和增益因数而变化的所述预测压力比包括根据以下等式调整所述预测压力比：
Figure 2012103397983100001DEST_PATH_IMAGE003
其中，PR_PRED对应于所述预测压力比，PR_MAP对应于未调整的压力比，KCMP_FLW对应于所述压缩机流动修正因子，以及GAIN对应于所述增益因数。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，监测所述压缩机的实际压力比和实际质量流量包括利用设置在所述压缩机内或所述压缩机附近的多个传感器来监测所述实际压力比和所述实际质量流量。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，使用误差校正系统来修正所述差异值以产生压缩机流动修正因子包括使用在所述燃气轮机的操作期间实时地持续产生的卡尔曼滤波器增益矩阵来修正所述差异值以产生所述压缩机流动修正因子。
13.一种用于模拟燃气轮机的压缩机的系统，所述系统包括：
多个传感器，其构造成用以监测所述压缩机的实际压力比和实际质量流量；
控制器，其通信地联接到所述多个传感器上，所述控制器构造成用以基于所述燃气轮机的模型而产生所述压缩机的预测压力比和预测质量流量，所述控制器还构造成用以确定所述预测压力比与所述实际压力比和所述预测质量流量与所述实际质量流量中的至少一个之间的差异值，所述控制器还构造成用以将误差校正系统应用于所述差异值以产生压缩机流动修正因子，
其中，所述压缩机流动修正因子由所述控制器用来调整所述预测压力比和所述预测质量流量。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述控制器构造成用以基于所述预测压力比和所述模型的压缩机特性图来确定所述压缩机的预测质量流量，所述压缩机特性图使所述预测压力比与所述预测质量流量相关。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述压缩机流动修正因子由控制器用来调整结合所述压缩机特性图使用的所述预测压力比以确定所述预测质量流量。
16.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述控制器构造成用以调整随所述压缩机流动修正因子和增益矩阵而变化的所述预测压力比。
17.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述控制器构造成用以根据以下等式来调整所述预测压力比：
Figure 40707DEST_PATH_IMAGE004
其中，PR_PRED对应于所述预测压力比，PR_MAP对应于未调整的压力比，KCMP_FLW对应于所述压缩机流动修正因子，以及GAIN对应于所述增益因数。
18.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述控制器包括所述燃气轮机的涡轮控制器。
19.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述多个传感器设置在所述压缩机内或所述压缩机附近。
20.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述误差校正系统包括在所述燃气轮机的操作期间由所述控制器实时地持续产生的卡尔曼滤波器增益矩阵。
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