CN103711556B - 用于针对燃气涡轮而确定目标排气温度的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于针对燃气涡轮而确定目标排气温度的系统及方法。本发明的实施例可提供用于针对燃气涡轮而确定目标排气温度的系统和方法。在本公开内容的一个实施例中，公开了用于针对燃气涡轮而确定目标排气温度的方法。该方法可包括至少部分地基于压缩机压力情况而确定目标排气温度；至少部分地基于蒸汽湿度而确定对目标排气温度的温度调整；以及至少部分地基于温度调整而改变目标排气温度。

Description

用于针对燃气涡轮而确定目标排气温度的系统及方法
技术领域
本公开内容的实施例通常涉及燃气涡轮，且更具体而言，涉及用于针对燃气涡轮而确定目标排气温度的系统和方法。
背景技术
在一些燃气涡轮中，可利用蒸汽注入来抑制温度，从而使得附加燃料能够注入燃气涡轮中，导致附加的功率输出。然而，蒸汽附加到燃气涡轮中可影响燃气涡轮的排放物。例如，当使用干式低NOx(DLN)燃烧系统将蒸汽注入燃气涡轮中时，可出现燃烧稳定性和/或排放物符合性的问题。即，蒸汽的注入可显著地影响燃烧过程，这通常可导致较差的性能和排放物。
发明内容
一些或所有的以上需要和/或问题可由本公开内容的某些实施例解决。所公开的实施例可包括用于针对燃气涡轮而确定目标排气温度的系统和方法。根据本公开内容的一个实施例，公开了一种用于针对燃气涡轮而确定目标排气温度的方法。该方法可包括至少部分地基于压缩机压力情况而确定目标排气温度；至少部分地基于蒸汽湿度而确定对目标排气温度的温度调整；以及至少部分地基于温度调整而改变目标排气温度。
根据本公开内容的另一个实施例，公开了一种用于针对燃气涡轮而确定目标排气温度的装置。该装置可包括控制器，该控制器包括计算机处理器以及与计算机处理器连通的存储器，该存储器可操作以储存计算机可执行指令，该计算机可执行指令可操作以至少部分地基于压缩机压力情况而确定目标排气温度、至少部分地基于蒸汽湿度而确定对目标排气温度的温度调整、以及至少部分地基于温度调整而改变目标排气温度。
此外，根据本发明的另一个实施例，公开了一种用于针对燃气涡轮而确定目标排气温度的系统。该系统可包括燃气涡轮发动机，该燃气涡轮发动机包括一个或多个压缩机、一个或多个燃烧器、或者一个或多个涡轮；用于将蒸汽注入燃烧前/压缩后的空气中的蒸汽源；包括计算机处理器的控制器；以及与计算机处理器连通的存储器，该存储器可操作以储存计算机可执行指令，该指令可操作以至少部分地基于压缩机压力情况而确定目标排气温度、至少部分地基于蒸汽湿度而确定对目标排气温度的温度调整、以及至少部分地基于温度调整而改变目标排气温度。
一种用于针对燃气涡轮而确定目标排气温度的方法，包括：
至少部分地基于压缩机压力情况而确定目标排气温度；
至少部分地基于蒸汽湿度而确定对目标排气温度的温度调整；以及
至少部分地基于温度调整而改变目标排气温度。
优选地，确定温度调整，还基于CO或NOx排放物基准情况中的至少一者。
优选地，确定温度调整，还至少部分地基于涡轮入口特定湿度和蒸汽湿度。
优选地，确定温度调整，还至少部分地基于Δ入口压力损失、当前压缩机情况以及Δ排气温度输出。
优选地，确定温度调整，还至少部分地基于Δ背压、当前压缩机情况以及Δ排气温度输出。
优选地，还包括：
生成多个目标排气温度；以及
选择多个目标排气温度中的一者，以便于控制燃气涡轮。
优选地，目标排气温度由控制器应用，以确定涡轮点火温度。
优选地，目标排气温度由控制器应用，以确定通向燃气涡轮的燃烧器的燃料流和/或空气流。
优选地，方法在燃气涡轮的操作期间周期性地重复。
一种用于针对燃气涡轮而确定目标排气温度的装置，包括：
包括计算机处理器的控制器；以及
与计算机处理器连通的存储器，存储器能够操作以储存计算机可执行指令，
计算机可执行指令能够操作以：
至少部分地基于压缩机压力情况而确定目标排气温度；
至少部分地基于蒸汽湿度而确定对目标排气温度的温度调整；以及
至少部分地基于温度调整而改变目标排气温度。
优选地，确定温度调整，还基于CO或NOx排放物基准情况中的至少一者。
优选地，确定温度调整，还至少部分地基于涡轮入口特定湿度和蒸汽湿度。
优选地，确定温度调整，还至少部分地基于Δ入口压力损失、当前压缩机情况以及Δ排气温度输出。
优选地，确定温度调整，还至少部分地基于Δ背压、当前压缩机情况以及Δ排气温度输出。
优选地，生成了多个目标排气温度，并且其中选择多个目标排气温度中的一者以便于控制燃气涡轮。
优选地，目标排气温度由控制器应用，以确定涡轮点火温度。
优选地，目标排气温度由控制器应用，以确定通向燃气涡轮的燃烧器的燃料流和/或空气流。
优选地，计算机可执行指令在燃气涡轮的操作期间周期性地重复。
一种系统，包括：
燃气涡轮发动机，燃气涡轮发动机包括一个或多个压缩机、一个或多个燃烧器、或者一个或多个涡轮；
用于将蒸汽注入燃烧前/压缩后的空气中的蒸汽源；
包括计算机处理器的控制器；以及
与计算机处理器连通的存储器，存储器能够操作以储存计算机可执行指令，
计算机可执行指令能够操作以：
至少部分地基于压缩机压力情况而确定目标排气温度；
至少部分地基于蒸汽湿度而确定对目标排气温度的温度调整；以及
至少部分地基于温度调整而改变目标排气温度。
优选地，确定温度调整，还基于CO或NOx排放物基准情况中的至少一者。
本公开内容的其它实施例、方面和特征将从以下详细描述、附图和所附权利要求中对本领域中的技术人员变得明显。
附图说明
现在将对附图进行参照，附图不必按比例绘制，且在附图中：
图1为根据本公开内容的实施例的用于针对燃气涡轮而确定目标排气温度的系统的示例性示意图。
图2为示出根据本公开内容的实施例的用于针对燃气涡轮而确定目标排气温度的示例性数据流的细节的示意图。
图3为示出根据本公开内容的实施例的用于针对燃气涡轮而确定目标排气温度的示例性数据流的细节的示意图。
图4为示出根据本公开内容的实施例的用于针对燃气涡轮而确定目标排气温度的示例性数据流的细节的示意图。
图5为示出根据本公开内容的实施例的用于针对燃气涡轮而确定目标排气温度的示例性数据流的细节的示意图。
图6为示出根据本公开内容的实施例的用于针对燃气涡轮而确定目标排气温度的示例性数据流的细节的示意图。
具体实施方式
下文现将参照附图更完整地描述本公开内容的说明性实施例，其中示出了本公开内容的一些实施例而不是所有实施例。本公开内容可体现为许多不同的形式，且不应被看作是限于本文所阐述的实施例；相反，提供这些实施例以便本公开内容将满足可适用的法定要求。相似的标号始终表示相似的元件。
本公开内容的说明性实施例尤其针对用于针对燃气涡轮而确定目标排气温度的系统和方法。本发明的某些说明性实施例可针对将蒸汽注入燃烧前/压缩后的空气中。在一些情况下，可至少部分地基于压缩机的压力情况而确定目标排气温度。在其它情况下，可至少部分地基于来自注入燃烧前/压缩后的空气的蒸汽中的蒸汽湿度而确定对目标排气温度的温度调整。此外，在又一些其它情况下，可至少部分地基于温度调整而改变目标排气温度。
在一个实施例中，还可基于CO或NOx排放物基准情况中的至少一者确定温度调整。在另一个实施例中，还可至少部分地基于涡轮入口特定湿度和蒸汽湿度而确定温度调整。在又一个实施例中，还可至少部分地基于Δ入口压力损失、当前压缩机情况和/或Δ排气温度输出而确定温度调整。同样，在一些情况下，还可至少部分地基于Δ背压、当前压缩机情况和/或Δ排气温度输出而确定温度调整。
在某些方面，可生成多个目标排气温度。以此方式，在一些情况下，可选择一个或多个目标排气温度，以便于控制燃气涡轮。在其它方面，目标排气温度可由控制器应用，以确定涡轮点火温度。同样，在一些示例中，目标排气温度可由控制器应用，以确定通向燃气涡轮的燃烧器中的燃料流和/或空气流。在任何情况下，所公开的系统和方法可在燃气涡轮的操作期间周期性地重复。
本公开内容的某些实施例可提供对于针对燃气涡轮而确定目标排气温度的技术方案。例如，本文所公开的系统和方法可提供对预测的燃气涡轮排气温度的调整。在一些情况下，调整的目标排气温度可便于适应蒸汽注入燃烧前/压缩后的空气中的排放物符合性(例如，NOx和CO)。例如，在某些实施例中，涡轮蒸汽流测量可用于以NOx和/或CO界限算法来确定可应用于现有湿度方面中的调整。以此方式，可相对于蒸汽流的速度而以适当的量来调整预测性的排放物限制排气温度。这些温度可以以控制算法来用于别处以设定涡轮燃料流和/或空气流，以实现排放物符合性。
在一个示例性实施例中，图1绘出了燃气涡轮10，其具有压缩机12、燃烧器14、传动地联接到压缩机12的涡轮16、以及控制系统18。通向压缩机12的入口20可将环境空气和可能注入的水供给到压缩机12。该入口可具有导管、过滤器、筛网和吸声装置，它们均可有助于流过入口20进入压缩机12的入口导叶21中的环境空气的压力损失。用于涡轮的排气导管22可引导来自涡轮16的出口的燃烧气体经过例如具有排放物控制和吸声装置的导管。排气导管22可施加背压到涡轮16。背压的量可由于成分向导管22的附加以及向阻塞排气通路的灰尘和污垢的附加而随时间变化。在一个示例性实施例中，涡轮可驱动发电机24，发电机24产生电力。然而，在其它情况下，涡轮可为相关的机械驱动应用。针对压缩机12的入口损失和涡轮排气压力损失可趋于为经过燃气涡轮10的校正流量的函数。因此，入口损失和涡轮背压的量可随经过燃气涡轮10的流量而变化。
在某些实施例中，蒸汽喷射器11可将蒸汽注入燃烧前/压缩后的空气中。在一些情况下，由蒸汽喷射器11注射的蒸汽可用于抑制温度，从而可将附加燃料注入燃气涡轮10中，这可增加燃气涡轮10的功率输出。
燃气涡轮10的操作可由若干传感器26来监测，传感器26探测燃气涡轮10、发电机24和/或环境的各种成分和情况。例如，温度传感器可监测燃气涡轮周围的环境温度、压缩机排出温度、涡轮排气温度以及经过燃气涡轮10的气体流的其它温度测量。在一些示例中，压力传感器可监测环境压力以及在压缩机入口和出口、涡轮排气部以及在气体流中的其它位置处的静压力水平和动压力水平。此外，在其它示例中，湿度传感器(例如，湿式和干式的球形温度计)可测量压缩机的入口导管中的环境湿度。在一些情况下，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。如本文中使用的"参数"和类似的术语是指可用于限定燃气涡轮10的操作情况的项，如，可用于代表给定的涡轮操作情况的燃气涡轮10中的限定的位置处的温度、压力和流量。
燃料控制系统28可调节从燃料供应部流到燃烧器14的燃料，在流入燃烧室之前流入主喷嘴中的燃料和与空气混合的燃料之间的分离，且可选择用于燃烧器14的燃料的类型。燃料控制系统28可为单独的单元或可为较大的控制器18的构件。例如，在一些情况下，控制器18可为计算机系统，该计算机系统具有使用传感器输入和来自于操作人员的指令执行程序以控制燃气涡轮10的操作的处理器19。由控制器18执行的程序可包括用于调节通向燃烧器14的燃料流和/或空气流的进程算法。例如，由控制器生成的命令可引起燃气涡轮10上的促动器例如调整燃料供应部与燃烧器14之间的阀，该阀调节燃料的流量和类型、压缩机12上的入口导叶21以及燃气涡轮10上的其它控制设定。
控制器18可至少部分地基于储存在控制器的计算机存储器14中的算法而调节燃气涡轮10。这些算法可使得控制器18能够将涡轮排气中的NOx和CO排放物保持在某些预定的限制内，且能够将燃烧器的点火温度保持在预定的温度限制内。算法可包括针对当前压缩机压力比、环境特定湿度、入口压力损失和/或涡轮排气背压的参数。由于算法中的这些参数，控制器18可尤其适应于由蒸汽喷射器11将蒸汽注入燃烧前/压缩后的空气中。
在某些实施例中，燃烧器14可为DLN燃烧系统。此外，在一些情况下，控制系统18可编程和/或修改以控制DLN燃烧系统。图2至图6中阐释了示例性DLN燃烧控制算法。
在一个说明性实施例中，图2绘出了示出示例性数据流34的框图，该数据流用于基于NOx排放物限制过程36、CO排放物限制过程38、目标涡轮点火温度(Tfire)过程40以及Tfire限制过程42而确立例如限制涡轮排气温度。这些过程36、38、40和42可均输出单独的期望的涡轮排气温度。在一些情况下，过程34可包括选择逻辑44，以选择输入的期望的排气温度中的一个。例如，在某些方面，过程34可用于将涡轮排放物和点火温度保持在目标水平或保持在目标水平之下，尤其是在环境情况、入口压力损失、排气背压和/或蒸汽的注入变化时。此外，在其它方面，在环境情况中出现改变时、在将蒸汽注入燃气涡轮中时以及在入口压力损失和背压变化时，过程34可使得燃气涡轮10的操作中的平稳过渡成为可能。
图3为过程45的示意图，在一些情况下，该过程可代表产生目标涡轮排气温度46的过程36、38、40和42中的每一者。NOx、CO和Tfire限制过程以及Tfire目标过程可均具有它们自身独特的进程和校正因数指数，但在其它方面类似于过程45且由过程45代表。在一个示例中，该过程可接收输入数据，该输入数据关于例如当前压缩机压力比、进入压缩机12的环境空气的特定湿度、经过入口导管20的环境空气的压力损失以及起因于排气导管22的涡轮排气上的背压。在某些方面，基于这些输入，NOx、CO和Tfire限制过程36、38和42以及Tfire目标过程均可产生期望的目标排气温度46。
在一个说明性实施例中，代表性过程45可包括用于应用压缩机压力比以取得校正的涡轮排气温度50的进程48。例如，压缩机压力比对比排气温度目标进程48可为图表、查找表、或使压缩机压力比与校正的排气温度目标相关的函数。在一些情况下，进程48可针对各个燃气涡轮或燃气涡轮级以常规方式生成。以此方式，进程48可产生针对限定的基准负载和/或环境情况例如湿度与温度的校正的排气温度。
为了取得期望的实际排气温度，校正的排气温度可被调整以说明负载、环境温度和湿度以及注入的蒸汽。例如，在一个说明性实施例中，可将校正的排气温度50(在调整以说明压缩机入口压力损失和排气背压之后)转换成绝对温度水平，如，步骤52中的兰金度。即，通过增加459.67度可将华氏温度转换成兰金度数。绝对温度则可在步骤54乘以校正因数56，该校正因数56可为校正因数指数(y)和压缩机温度比(X)的函数(Xy)。校正因数指数(y)可凭经验取得，且可具体到各个算法36、38、40和42，以及具体到燃气涡轮10的各个级。压缩机温度比(X)可为燃气涡轮负载的指示。压缩机温度比可为在基准压缩机温度(Tref)上的当前压缩机排出温度，如，在满燃气涡轮负载下的压缩机温度。应用于压缩机温度比的温度可为绝对温度。通过使函数(Xy)和校正的目标排气温度相乘，可生成转换成非绝对温度标度的未校正的目标排气温度58。
从压缩机压力比进程48输出的校正的涡轮排气温度50未说明压缩机入口压力损失的差异、排气背压损失、环境湿度的改变、由蒸汽注入引起的改变、和/或燃气涡轮10单元特定差异。附加的进程60、62、100和200可应用于在这些情况下针对改变而调整目标涡轮排气温度。例如，针对入口压力损失的进程60可为使Δ排气温度与实际压缩机温度比和压缩机入口压力损失(或实际入口压力损失与应用于形成压缩机进程48的限定的入口压力损失之间的改变)相关的函数。在一些情况下，入口压力损失进程60可为压缩机比的函数，因为压力损失为经过燃气涡轮10的校正流量的函数，且随燃气涡轮10上的负载变化。例如，从入口压力损失进程60输出的Δ排气温度值66可为校正的温度值。因此，可将Δ排气温度值66与从压缩机进程48取得的目标校正排气温度50求和。
类似地，在某些实施例中，背压进程62可基于压缩机压力比和实际背压(或实际背压与应用于形成压缩机进程48的限定的背压之间的改变)的函数而产生针对校正的排气温度50的Δ值。例如，背压进程62可为压缩机比的函数，因为涡轮背压损失为经过燃气涡轮的校正流量的函数，且随燃气涡轮上的负载变化。
图4绘出了湿度和注入的蒸汽进程100的示例性实施例。例如，在一些情况下，压缩机排出压力104可乘以常数106，以确定压缩机的总流速102，该总流速可包括空气和蒸汽的组合流速。接下来，可从总的流速102中减去蒸汽流速108，以确定空气流速110。此外，可将蒸汽流速108除以空气流速110，以确定水的浓度112。然后可将水的浓度112乘以常数116(其可为专用的校准因数)，以确定蒸汽湿度118。然后可将蒸汽湿度118与入口环境湿度120求和。然后可将求和后的蒸汽湿度118和入口环境湿度120乘以变量122，以将求和后的湿度转换成Δ温度124，该Δ温度124可应用于调整目标涡轮排气温度，以说明注入的蒸汽和环境湿度情况。例如，Δ温度124可为正值或负值。在一些情况下，变量122可包括压缩机压力比126，该压缩机压力比126可为将一个或多个常数128、130和132平方/或相乘/或求和。
图5绘出了校准进程200的示例性实施例。在步骤202处，例如，通过设定目标CO水平可确定对CO界限的调整。目标CO水平202可乘以限制基准情况204的百万分之几。然后，相乘后的目标202和限制204可应用于进程206，以用于应用CO界限来取得校正的涡轮排气温度。
图6为将来自图3的信息压缩成针对图2中示出的各个算法的框图的示意图。图6示出了可定制和应用于各个算法36、38、40和48的代表性算法45。选择逻辑44可包括最大值选择逻辑单元68，该选择逻辑单元68可从CO限制算法38和Tfire目标算法40识别目标排气46之间的最热温度。由最大值选择68识别的最热温度可应用于最小值选择逻辑单元70，该最小值选择逻辑单元70识别从最大值选择逻辑单元68输出的最冷温度、来自NOx限制算法和Tfire限制算法的未校正的目标排气水平、以及最大排气温度水平72。最小值选择单元70的输出可用作未校正的目标涡轮排气水平74。控制器18可调整燃料控制，以实现目标涡轮排气水平74。
选择逻辑44还可提供当操作情况改变时在从一个选择的限制算法到另一个算法的选择的过渡期间的目标涡轮排气中的平稳过渡。当进程有效时，排气目标水平的选择可间接地规定所需的燃烧器点火温度和备选排放物的水平。
尽管实施例已经书面地具体描述了结构性特征和/或方法性动作，但将理解的是，本公开内容不必限于所描述的具体特征或动作。相反，该具体特征和动作被公开为实施实施例的说明性形式。

Claims (20)

1.一种用于针对燃气涡轮而确定目标排气温度的方法，包括：
至少部分地基于压缩机压力情况而确定目标排气温度；
通过压缩机排出压力乘以一常数，以确定压缩机的总流速，所述总流速包括空气流速和蒸汽流速；
通过从总流速中减去蒸汽流速，以确定空气流速；
通过将蒸汽流速除以空气流速，以确定水的浓度；
通过将水的浓度乘以一专用的校准因数，以确定蒸汽湿度；
至少部分地基于所述蒸汽湿度而确定对所述目标排气温度的温度调整；以及
至少部分地基于所述温度调整而改变所述目标排气温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述温度调整，还基于CO或NOx排放物基准情况中的至少一者。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述温度调整，还至少部分地基于涡轮入口特定湿度和蒸汽湿度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述温度调整，还至少部分地基于入口压力损失、当前压缩机情况以及排气温度输出。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述温度调整，还至少部分地基于背压、当前压缩机情况以及排气温度输出。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
生成多个所述目标排气温度；以及
选择所述多个目标排气温度中的一者，以便于控制所述燃气涡轮。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标排气温度由控制器应用，以确定涡轮点火温度。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标排气温度由控制器应用，以确定通向所述燃气涡轮的燃烧器的燃料流和/或空气流。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法在所述燃气涡轮的操作期间周期性地重复。
10.一种用于针对燃气涡轮而确定目标排气温度的装置，包括：
包括计算机处理器的控制器；以及
与所述计算机处理器连通的存储器，所述存储器能够操作以储存计算机可执行指令，
所述计算机可执行指令能够操作以：
至少部分地基于压缩机压力情况而确定目标排气温度；
通过压缩机排出压力乘以一常数，以确定压缩机的总流速，所述总流速包括空气流速和蒸汽流速；
通过从总流速中减去蒸汽流速，以确定空气流速；
通过将蒸汽流速除以空气流速，以确定水的浓度；
通过将水的浓度乘以一专用的校准因数，以确定蒸汽湿度；
至少部分地基于所述蒸汽湿度而确定对所述目标排气温度的温度调整；以及
至少部分地基于所述温度调整而改变所述目标排气温度。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，确定所述温度调整，还基于CO或NOx排放物基准情况中的至少一者。
12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，确定所述温度调整，还至少部分地基于涡轮入口特定湿度和蒸汽湿度。
13.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，确定所述温度调整，还至少部分地基于入口压力损失、当前压缩机情况以及排气温度输出。
14.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，确定所述温度调整，还至少部分地基于背压、当前压缩机情况以及排气温度输出。
15.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，生成了多个所述目标排气温度，并且其中选择所述多个目标排气温度中的一者以便于控制所述燃气涡轮。
16.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述目标排气温度由所述控制器应用，以确定涡轮点火温度。
17.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述目标排气温度由所述控制器应用，以确定通向所述燃气涡轮的燃烧器的燃料流和/或空气流。
18.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述计算机可执行指令在所述燃气涡轮的操作期间周期性地重复。
19.一种用于针对燃气涡轮而确定目标排气温度的系统，包括：
燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括一个或多个压缩机、一个或多个燃烧器、或者一个或多个涡轮；
用于将蒸汽注入燃烧前/压缩后的空气中的蒸汽源；
包括计算机处理器的控制器；以及
与所述计算机处理器连通的存储器，所述存储器能够操作以储存计算机可执行指令，
所述计算机可执行指令能够操作以：
至少部分地基于压缩机压力情况而确定目标排气温度；
通过压缩机排出压力乘以一常数，以确定压缩机的总流速，所述总流速包括空气流速和蒸汽流速；
通过从总流速中减去蒸汽流速，以确定空气流速；
通过将蒸汽流速除以空气流速，以确定水的浓度；
通过将水的浓度乘以一专用的校准因数，以确定蒸汽湿度；
至少部分地基于所述蒸汽湿度而确定对所述目标排气温度的温度调整；以及
至少部分地基于所述温度调整而改变所述目标排气温度。
20.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，确定所述温度调整，还基于CO或NOx排放物基准情况中的至少一者。
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