CN104595038B - 多分管型燃烧室使用燃烧动态调谐算法的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供多分管型燃烧室使用燃烧动态调谐算法的系统和方法。根据本发明的一个实施例，可利用发动机模型(230)对包括多个分管(102‑112)的发动机(210)实施用于控制燃气涡轮发动机(210)的方法(200)。方法(200)可包括获取与发动机的多个分管相关的运行频率信息(Y)。另外，方法(200)可包括确定至少两个分管的运行频率信息(Y)之间的差异。此外，方法(200)可包括至少部分地根据该差异确定中值。还有，方法(200)可包括确定中值是否超出至少一个运行阈值。方法(200)还可包括，如果超出至少一个运行阈值，则执行至少一种发动机控制动作来改变至少一个运行频率(Y)。

Description

多分管型燃烧室使用燃烧动态调谐算法的系统和方法
本申请为2008年6月26日提交的发明专利申请“多分管型燃烧室使用燃烧动态调谐算法的系统和方法”（申请号：200810127369.3，申请人：通用电气公司）的分案申请。
技术领域
本发明涉及燃烧动态控制，更具体地，本发明涉及多分管型燃烧室使用燃烧动态调谐算法的系统和方法。
背景技术
旋转机械(诸如燃气涡轮发动机)中的燃烧系统的设计和运行比较复杂。为了运行这种发动机，常规的燃烧动态调谐算法可利用与各种发动机部件相关的一个或多个传感器来获取发动机的性能和运行特性。例如，General Electric型号为GE-10的单分管型燃烧室可利用来自多个燃烧动力传感器的输出，以使用常规的动态调谐算法对燃烧室进行调谐。在另一个实例中，环管型燃烧室可包括以环状构造布置的多个分管，并且可利用来自多个燃烧动态传感器(一个传感器用于一个分管)的输入，以使用另一种常规的动态调谐算法对燃烧室进行调谐。考虑到分管与分管之间的差异，后一种动态调谐算法可检查各传感器是否处于预定的范围内，然后将传感器设定到中间特性值，或者备选地，将所有传感器的输出取平均，以确定需要执行的动态信号。
在某些情况下，与燃烧室(诸如单分管型燃烧室或环管型燃烧室)相关的一个或多个传感器可能提供不足或错误的数据或测量值。例如，传感器可能在燃烧室运行过程中失效，来自传感器的数据可能停止或者另外地被视为错误的或不足的。如果超过一个的传感器提供不足或错误的数据或测量值，则这种数据或测量值可输入到常规的动态调谐算法中，并且导致燃烧室的效率下降。在另外的情况下，调谐不良或效率下降可导致燃烧室产生过大的振动或对燃烧室造成破坏。
因此，需要多分管型燃烧室使用燃烧动态调谐算法的系统和方法。
发明内容
本发明的实施例可满足上述一些或全部需要。本发明的实施例大体涉及多分管型燃烧室使用燃烧动态调谐算法的系统和方法。根据本发明的一个实施例，可利用发动机模型对包括多个分管的发动机实施用于控制燃气涡轮发动机的方法。该方法可包括获取与发动机的多个分管相关的运行频率信息。另外，该方法可包括确定至少两个分管的运行频率信息之间的差异。此外，该方法可包括至少部分地基于该差异来确定中值(median value)。此外，该方法可包括确定中值是否超出至少一个运行阈值。该方法还可包括，如果超出至少一个运行阈值，则执行至少一种发动机控制动作来改变至少一个运行频率。
根据本发明的另一个实施例，可实现用于控制燃气涡轮发动机的系统。该系统可包括适于获取与相应分管相关的运行频率信息的多个传感器。该系统还可包括控制器，该控制器适于至少部分地基于运行频率信息来确定至少两个分管的运行频率信息之间的差异。此外，控制器可适于至少部分地基于该差异来确定中值。另外，该控制器可适于，如果超出至少一个运行阈值，则执行至少一种发动机控制动作来改变至少一个运行频率。
根据本发明的另一个实施例，可实现用于控制带有多个分管的燃气涡轮发动机的基于模型的控制系统。该系统可包括适于获取与相应分管相关的运行频率信息的多个传感器。另外，该系统可包括适于从多个传感器接收信息的模型。该模型可适于确定至少两个分管的运行频率信息之间的差异。此外，该模型可适于至少部分地基于该差异来确定中值。另外，该模型可适于至少部分地基于中值来确定输出。此外，该模型可适于确定中值是否超出至少一个运行阈值。另外，该模型可适于确定适合于改变至少一个运行频率的输出。此外，该系统可包括控制器，该控制器适于至少部分地基于来自发动机模型的输出来确定发动机控制动作，并且还适于输出控制命令以执行发动机控制动作。
根据以下结合附图所做的描述，本发明的其它实施例以及实施例的其它方面将变得显而易见。
附图说明
上文概括地描述了本发明，以下将参照未必按比例绘制的附图，其中：
图1是表示燃气涡轮发动机实例的布置的示意图，该燃气涡轮发动机可通过本发明的实施例进行控制。
图2是显示根据本发明实施例的发动机控制系统的部件的框图。
图3是显示根据本发明的一个实施例的在执行期间的燃烧动态调谐模型的框图。
图4-5显示根据本发明实施例的基本燃烧动态调谐工艺和燃气涡轮发动机的实例流程图。
图6-9显示根据本发明实施例的主动(active)燃烧动态调谐工艺和燃气涡轮发动机的实例流程图。
图10显示根据本发明实施例的燃烧动态调谐工艺和燃气涡轮发动机的运行频率数据实例。
附图标记：
100　燃气涡轮发动机
102　分管
104　分管
106　分管
108　分管
110　分管
112　分管
200　控制系统
210　设备或发动机
220　状态估计器
230　模型
240　基于模型的预测控制模块或控制模块
250　优化器
260　模型
Y　　运行频率数据
U　　发动机命令输入
300　模型
302　模型方框
304　模型方框
306　模型部分导出方框
308　模型部分导出方框
310　过滤方框
312　均热(heat soak)方框
314　性能参数
316　来自模型方框302的性能输出
318　来自模型方框304的性能输出
320　异相变量
322　乘法器
324　预测的发动机传热
326　乘法器
330　来自模型部分导出方框306的输出
332　来自模型部分导出方框306的输出
334　来自模型部分导出方框308的输出
336　来自发动机的性能参数
338　协方差输出
342　金属温度
400　工艺
402　方框402
404　判断方框404
406　“是”分支
408　方框408
410　“否”分支
412　判断方框412
414　“是”分支
416　“否”分支
418　判断方框418
420　“是”分支
422　判断方框422
424　“是”分支
426　“否”分支
428　方框428
430　“否”分支
432　方框432
500　工艺
502　判断方框502
504　“是”分支
506　方框506
508　方框508
510　方框510
512　“否”分支
514　方框514
516　方框516
600　工艺
602　方框602
604　“是”分支
606　方框606
608　方框608
610　方框610
612　“否”分支
614　分支方框B
616　判断方框616
618　“是”分支
620　方框620
622　“否”分支
624　方框624
700　工艺
702　判断方框702
704　“是”分支
706　方框706
708　“否”分支
710　判断方框710
712　“是”分支
714　方框714
716　方框716
718　方框718
720　方框720
722　“否”分支
724　方框724
800　工艺
802　判断方框802
804　“是”分支
806　方框806
808　方框808
810　方框810
812　方框812
814　分支方框C
816　“否”分支
818　分支方框B
820　判断方框820
822　“是”分支
824　方框824
826　“否”分支
828　方框828
900　工艺
902　分支方框902
904　判断方框904
906　“是”分支
908　方框908
910　方框910
912　判断方框912
914　“否”分支
916　方框916
918　方框918
920　“是”分支
922　方框922
924　方框924
926　判断方框926
928　“是”分支
930　方框930
932　方框932
934　“否”分支
936　方框936
938　分支方框B
940　“否”分支
942　方框942
944　方框944
946　判断方框946
948　“否”分支
950　分支方框B
952　“是”分支
954　方框954
956　方框956
1000 运行频率数据
1002 x轴
1004 y轴
1006 移动黄色阈值
1008 运行数据超出移动黄色阈值的点
1010 运行数据超出移动黄色阈值的点
1012 运行数据超出移动黄色阈值的点。
具体实施方式
以下本文将参照附图对本发明进行更全面的描述，在附图中显示了本发明的示范性实施例。然而，本发明可按多种不同的形式实施，并且本发明不能理解为受限于本文所阐述的示范性实施例，相反，这些实施例的提供使得本发明向本领域的技术人员传达本发明的范围。在整个说明书中相同的符号表示相同的元件。
以下参照根据本发明实施例的方法和系统的框图和示意图对本发明的实施例进行描述。可以理解，框图的各个方框以及图中方框的组合可通过计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可载入一个或多个通用计算机、专用计算机或其它用于形成机器的可编程数据处理装置，使得在计算机或其它可编程数据处理装置中执行的指令产生用于执行方框或多个方框中所指定的功能的装置。这种计算机程序指令还可以存储于计算机可读存储器中，该存储器可引导计算机或其它可编程数据处理装置以特定的方式运行，使得存储于计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置在内的制品，该指令装置执行方框或多个方框中所指定的功能。
在本发明的实施例中，发动机或发动机子系统的任何物理系统、控制系统或特性可模型化，其包括但不限于发动机本身、燃气通道和燃气通道动态特性；促动器、效应器或修改或改变任何发动机运转状态的其它控制装置；传感器、监测器或感测系统；燃料计量系统；燃料输送系统；润滑系统；和/或液压系统。这些部件和/或系统的模型可以是基于物理的模型(包括它们的线性近似)。附加地或备选地，模型可以基于线性和/或非线性系统识别、神经网络和/或所有这些的组合。
燃气涡轮发动机是基于布雷顿(Brayton)热动力循环做功的喷气发动机。燃气涡轮发动机的一些非限制性的实例包括：航空发动机、电力系统、海事应用中的推进发动机、用作泵的涡轮机、用在联合循环发电设备中的涡轮机以及用于其它工业应用中的涡轮机。在燃气涡轮发动机中，热能取自于燃料与空气的燃烧、燃料与氧化剂的燃烧、化学反应和/或与热源的热交换。然后，热能转变成有用功。这种功可以以推力、轴动力或电的形式输出。这些发动机的性能或运行通过使用促动器来控制。燃气涡轮发动机中促动器的一些非限制性的实例包括：燃料计量阀、进口导叶、可变定子叶片、可变几何形状(variablegeometry)、排出阀、起动阀、间隙控制阀、进口放热、可变排气喷嘴等等。所感测的发动机数值的一些非限制性的实例包括：温度、压力、转子转速、促动器位置和/或流量。
本发明的各种实施例可提供燃烧动态调谐的工艺。在一个实施例中，燃烧动态调谐工艺可在燃气涡轮发动机的过渡运行中利用基本燃烧动态调谐工艺，并在稳态运行中利用主动燃烧动态调谐工艺。当燃气涡轮发动机起动时，基本燃烧动态调谐工艺可用于监测并诊断燃气涡轮发动机的状态。当燃气涡轮发动机的运转状态在起动期间满足某些预定标准之后，可启动主动燃烧动态调谐工艺，以给某些运行频率提供主动的反作用，并继续监测和诊断燃气涡轮发动机的状态。
与本发明实施例一起使用的燃气涡轮发动机实例100的一个实例视图显示在图1中。所显示的发动机实例100为环管型燃烧室系统，诸如GE Energy Heavy Duty燃气涡轮机系列。在另一个实施例中，发动机100可以是由General Electric Power System Oil &Gas制造的型号为GE MS5002E的燃气涡轮机。也可标示为数字1至14的多个分管102,104,106,108,110,112定向成环状构造。各分管102-112可包括至少一个传感器，诸如动态压力换能器，其能够测量或另外地检测分管或发动机部件的运行频率。在燃气涡轮发动机的其它实施例中，可利用不同数目的分管及相关传感器。适当的传感器的实例为VibrometerCP233型动态压力探测器。来自各传感器的信号可使用频谱分析或类似技术进行处理，以分离出所关注的频率。
在一个实施例中，来自各分管102-112的运行频率数据(诸如动态压力测量值)可使用快速傅立叶(Fourier)变换进行处理，以确定频率的频率内容和幅度，诸如运行幅度。使用该信息可产生频率分布，诸如直方图。至少部分地根据直方图，可以为具体的分管或发动机部件选择典型的运行频率。如图3所示，运行频率数据或为各分管102-112选择的典型的运行频率可用作燃烧动态调谐模型和算法实例的输入，诸如330。可以理解的是，“运行频率信息”及“运行频率数据”可互换地使用，并且两个术语均可包括但不限于运行数据、运行压力、动态运行压力和运行幅度数据。
在一个实施例中，时域中的运行频率数据可包括RMS(均方根)换算(scale)的峰值型数据，例如，可使用等式1.41*RMS来确定RMS换算的峰值型数据。
本领域的技术人员可以理解，本发明所描述的实施例可应用于多种系统，并且不限于与图1所描述的发动机相似的发动机或其它装置。
图2显示实现根据本发明实施例的模型实例的控制布置。显示在图2中的控制系统200适于监测及控制物理发动机设备(physical engine plant)或燃气涡轮发动机210，以在多种条件下提供基本上最佳的性能。设备或发动机210可包括感测或测量某些参数数值Y的传感器。这些参数可包括但不限于风扇速度、运行频率、动态压力、运行压力、运行压力比和温度。设备或发动机210还可包括由一个或多个命令输入U控制的一个或多个促动器。设备或发动机210例如可能类似于图1中显示的发动机100。
所感测或测量的参数数值Y提供给状态估计器(state estimator)220。输入到状态估计器220的数值(诸如传感器的输入、运行频率或动态压力)可用来对状态估计器220中的一个或多个数值进行初始化。状态估计器220可包括设备或发动机210的模型230。模型230可由状态估计器220用来产生可包括性能参数估计值的一个或多个状态参数。合适模型的一个实例在图3中作为300进一步详细描述。
来自状态估计器220和相关模型230的状态参数可传输到基于模型的预测控制模块或控制模块240中。在一个实施例中，控制模块可以是带有相关的输出装置或显示器(诸如图形用户接口)的控制器。控制模块240可使用状态参数来实施优化，以便确定用于设备或发动机210的一个或多个促动器的命令。例如，控制模块240可实施优化，以便为燃气涡轮发动机的一个或多个促动器确定一个或多个发动机控制动作及相应的控制命令。在这个方面，控制模块240可包括优化器250和模型260。与控制模块240相关的模型260可与关联于状态估计器220的模型230相同。本领域的技术人员将认识到的是，模型可在状态估计器220和控制模块240中的任一个或两者中实施。模型230,260中的任一个或两者的使用允许发动机210的优化迅速收敛。
在使用中，本发明实施例可用于在装置或发动机210起动时对模型230,260进行初始化。另外，本发明实施例可用于在任何事件(诸如甩负荷或传感器失效)之后对模型230,260的动态状态重新初始化。本发明的其它实施例可用来在其它情况下对其它类型的机器或装置的动态状态进行初始化。
图3是显示根据本发明实施例的模型实例在初始形态及正常执行期间的示意图。该图显示利用与模型300(诸如燃烧动态调谐算法模型)相关的各种模块对数据进行处理。如图所示，模型300可包括一些或全部根据本发明实施例的下列模块：传感器状态方框302；中值方框304；传递函数(TF))调谐方框306；存储器方框308；中值动态方框310；基于模型的控制算法方框312；标准偏差方框314；均值方框316；协方差方框318、常数方框320；中值动态方框322；中值目标方框324；以及存储器方框326。模块方框302-326表示各种“运行(runtime)”类型的方框，其中各种参数可输入到各方框302-326中，并且根据本发明实施例各自相应的输出可从模块302-326接收。本领域的技术人员将认识到的是，各种输入和输出可构造为数据输入、矢量、矩阵、函数及其它数学类型的设计。在任何情况下，所示的模型实例300可确定模型的预测值并将燃烧模型的预测值动态地调谐到在燃气涡轮发动机(诸如图1中的100或类似的装置)的实时环境中所测量的性能。模型实例300可与图1中显示为100的燃气涡轮发动机和图2中显示为200的系统一起实施。
传感器状态方框302从发动机330接收一个或多个输入328，该发动机330与图1中显示的发动机100类似。例如，输入可以是来自于与各自的分管相关的一个或多个传感器的运行频率信息或动态压力信息，其中分管定向成环状构造。在图3所显示的实施例中，可得到来自6个传感器的输入，其中一个传感器用于环管型发动机的一个分管。此外，传感器状态方框302可通过将输入328与预先存储的数据组进行比较以确定一些或全部输入328是否处于预定的范围之内。
在其它实施例中，来自发动机或与发动机相关的任意数目的分管的任意数目的输入可输入到传感器状态方框302中。
在一个实施例中，根据一些或全部输入328是否处于预定的范围之内确定是否使用一些或全部输入328。在一些或全部输入328没有处于预定范围内的情况下，可拒绝一些或全部输入328，并且没有针对一些或全部输入328的进一步的动作。备选地，附加的数据可用来取代一些或全部输入328。在一些或全部输入328处于预定范围内的情况下，可通过模型300的其它部件对一些或全部输入328进行进一步地处理。
在一些或全部输入处于预定范围内的情况下，可通过332将一些或全部输入传输到中值方框304。中值方框304可根据所传输的一些或全部输入330确定中值334。中值334可传输到传递函数(TF)调谐方框306，用于存储在存储器方框308中以及随后从存储器方框308中进行检索。另外，中值334可输入到中值动态传递函数(TF)方框310中。
中值动态传递函数(TF)方框310利用中值334与中值动态传递函数，以确定输入到基于模型的控制算法方框312的输入“带帽的M”336。如指向中值动态传递函数(TF)方框310的多个输入箭头所示，可输入并同时处理用于其它运行频率的附加的中值。
如果只利用与输入“带帽的M”336相关的中值334，则当发动机330的分管与分管之间的运行频率差异较大时，基于模型的控制算法方框312对发动机330的控制容易出现问题。
重新参考传感器状态方框302，一些或全部输入328(诸如运行频率信息)通过338输入到标准偏差方框314中，在此可确定标准偏差340。另外，一些或全部输入328(诸如运行频率信息)通过342输入到均值方框316中，在此可确定均值344。至少部分地根据输入到协方差方框318中的标准偏差340和均值344，协方差方框318可确定与发动机330的分管相关的输入328之间的协方差。例如，均值344可除以标准偏差340，以确定代表发动机330运行的协方差值346。
在一个实施例中，协方差值346可由根据发动机的函数(诸如348)改变。例如，根据发动机的函数可基于从一个或多个的一系列类似发动机中随时间采集的先前数据来确定。现在转到常数方框320，协方差值346可乘以根据发动机的函数348或另外地由根据发动机的函数348所调整，以确定代表发动机330运行的“最大值与中值”动态比350。
根据发动机330的先前运行性能，可基于最高或最大的运行频率或动态压力(发动机332在此运行频率或动态压力下可安全运行)或任何其它所需的运行上限来预先限定规格上限(USL)352。如中值动态方框322所表示，“最大值与中值”动态比350可由USL 352进行调整或另外地改变。在这种情况下，“最大值与中值”动态比350可除以USL 352以得到中值目标354或中值。
中值目标354可由中值目标方框324传输，以存储在存储器方框326中用于随后的检索。最终，中值目标354可输入到基于模型的控制算法方框312中。
通过利用中值目标354，由于可考虑发动机330的分管之间的差异，所以可改进基于模型的控制算法方框312对发动机330的控制。通过在与发动机330相关的一些或全部分管上保持最高燃烧动态极限，采用这种方式对发动机330的控制可使不足的传感器测量值的影响最小。在一个实施例中，由于中值目标354被连续地计算并输入到基于模型的控制算法方框312中，所以控制回路302-310, 314-328, 332-354连续地“闭合”，并且可改进对发动机330的控制。在另一个实施例中，其它运行频率的同步处理或其他实时处理可由所显示的模型300执行并处理。
在使用中，可使用以上工艺和指令中的一些或全部，并根据需要重复执行，以在模型执行期间、在任意特定时刻自动且动态地调谐发动机(诸如环管型内燃机)的多个分管中的燃烧。采用这种方式，发动机可构造成用于将燃烧动态算法模型的运行状态“调谐”为匹配于发动机或其它所关注的装置的所测量的动态性能。
图4-9显示用于根据本发明实施例的燃气涡轮发动机的燃烧动态调谐工艺的实例流程图。具体地，图4显示起动燃烧动态调谐工艺的实例；图5-6显示基本燃烧动态调谐工艺的实例；以及图7,8和9显示主动燃烧动态调谐工艺的实例。图4-9的一些或全部工艺可与图2中的控制系统实例200以及图3中的模型实例300一起使用。在一个实施例中，燃烧动态调谐工艺可根据所测量的特定燃气涡轮发动机的动态运行频率实施图4-9中的一些或全部工艺。
图4中显示了起动燃烧动态调谐工艺400的实例。通常，图4的起动工艺可用于燃气涡轮发动机的起动。具体地，工艺实例400测试与燃气涡轮发动机相关的传感器是否正常，以及一些或全部传感器的测量值是否处于用于适当控制燃气涡轮发动机的预定范围之内，诸如处于运行上限与运行下限之间。这种特定的工艺400可与图1中的燃气涡轮发动机实例100、图2中基于模型的控制系统200以及图3中的动态燃烧调谐模型300一起实施。起动工艺的其它实施例可与其它类型的燃气涡轮发动机、基于模型的控制系统或其它类型的系统，以及动态燃烧调谐模型或其它燃烧调谐模型一起实施。
起动工艺400开始于方框402。在方框402中从与相应的分管相关的至少一个传感器接收运行频率信息。在该实施例中，来自压力传送器(诸如型号为A96KF的压力传送器)的至少一个信号可由控制器(诸如图2中的基于模型的控制模块240)接收。
判断方框404跟随在方框402之后，在判断方框404中确定特定的传感器是否正常。在该实施例中，可由控制器(诸如240)根据是否在预定的时间内(诸如2秒)从至少一个传感器接收信号来进行确定。如果在预定的时间内没有从至少一个传感器接收信号，则可跟随“是”分支406转到方框408。
在方框408中可将故障指示传输给用户。在该实施例中，控制器(诸如240)可将故障指示通过适当的用户接口(诸如图形显示器)传输给用户。故障指示的实例可以是指示检测到至少一个传感器故障的消息，或者存在燃烧室动态压力输入故障报警。可将来自指示故障的特定传感器的测量值排除在运行频率信息的随后的统计计算或处理之外。例如，可将来自特定传感器的测量值排除在图3中的传感器状态方框302的输入之外，并且还排除在随后使用图3的模型300进行的计算(包括中值的计算)之外。例如，在只有一个传感器存在故障的情况下，可启动主动燃烧动态调谐工艺(诸如700,800,900)，并同时将随后的传感器的输入排除在中值计算之外。
重新参考判断方框404，如果从至少一个传感器接收正常信号，则可跟随“否”分支410转到判断方框412。在判断方框412中确定该至少一个传感器的测量值是否低于运行下限。在该实施例中，控制器(诸如240)确定该至少一个传感器的测量值是否低于运行下限。运行下限的实例可以是运行频率信息的物理下限，诸如大约0.3Kpa的峰峰值。如果传感器的测量值低于运行下限，则可跟随“是”分支414转到上述的方框408。
重新参考判断方框412，如果该至少一个传感器的测量值不低于运行下限，则可跟随“否”分支416转到判断方框418。在判断方框418中确定传感器的测量值是否高于运行上限。在该实施例中，控制器(诸如240)确定传感器的测量值是否高于运行上限。运行极限的实例可以是运行频率信息的物理上限，诸如大约100Kpa的峰峰值。如果传感器的测量值高于阈值上限，则可跟随“是”分支420转到判断方框422。
在判断方框422中确定其它传感器的测量值是否低于下阈值或绿色阈值。在该实施例中，控制器(诸如240)可确定其它传感器的测量值是否低于下阈值或绿色阈值。如果其它传感器的测量值低于下阈值或绿色阈值，则可能只有一个传感器存在故障，并且跟随“是”分支424转到上述的方框408。
重新参考判断方框422，如果其它传感器的测量值不低于下阈值或绿色阈值，则可能多于一个的传感器存在故障，并且跟随“否”分支426转到方框428。在方框428中启动燃烧动态调谐工艺。基本燃烧动态调谐工艺实例在以下所描述的图5和图6中表示为500,600。在只有1个或2个传感器存在故障的情况下，可启动主动燃烧动态调谐工艺(诸如700,800,900)。在多于2个的传感器存在故障的情况下，可启动基本燃烧动态调谐工艺(诸如500,600)。
重新参考判断方框418，如果传感器的测量值不高于运行上限，则可跟随“否”分支430转到方框432。在方框432中可将无故障指示传输给用户。在该实施例中，控制器(诸如240)可确定传感器的测量值是否高于运行上限。无故障指示的实例可以是指示没有检测到传感器故障的消息。来自一些或全部正常传感器的测量值可包括在运行频率信息的随后的统计计算或处理中。例如，来自特定传感器的测量值可包括在至图3中的传感器状态方框302的输入中，并且进一步包括在使用图3的模型300的随后的计算(包括中值的计算)中。在没有传感器故障的情况下，可启动主动燃烧动态调谐工艺(诸如700,800,900)。
根据需要，可在必要时针对其它传感器中的各个传感器重复执行方法400的一些或全部单元。
图5和6显示基本燃烧动态调谐工艺实例。通常，基本燃烧动态调谐工艺(诸如500,600)适于通过监测动态运行频率并在需要时提供报警来监测燃气涡轮发动机的初始起动。具体地，图5显示方法500，用于监测燃气涡轮发动机的动态频率并在需要时提供“跳闸(trip)”报警。
方法500起始于判断方框502。在方框502中确定至少一个传感器的测量值是否超出大约为8psi(磅/平方英寸)的阈值。在该实施例中，来自相应的压力传送器(诸如型号为A96KF的压力传送器)的信号可由控制器(诸如240)接收，并与阈值(诸如大约8psi)进行比较。
如果特定传感器的测量值超出阈值，则“是”分支504转到方框506。在方框506中，由控制器(诸如240)确定传感器测量值的持续性。例如，如果控制器240确定传感器的测量值持续预定的时间量，诸如针对大约60秒持续大约50%，则方法500可继续转到方框508。在该实例中，持续性测量可限定为通过控制燃气涡轮发动机以某一运行频率或高于某一运行频率运行的时间量来保护燃气涡轮发动机的运行。在其它实施例中，持续性的增加和计时可根据需要进行调整。
在方框508中可启动跳闸命令，并且相应的发动机控制命令可通过控制器传输。在该实施例中，跳闸命令可以是由控制器(诸如240)执行的停止燃气涡轮发动机的某些运行的发动机控制命令。
方框510跟随在方框508之后，在方框510中可将指示传输给用户。在该实例中，控制器(诸如240)可通过与控制器相关的用户接口将指示传输给用户。例如，表述以下内容的报警消息可通过图形用户接口或显示器传输，该内容为：“在重新起动机器之前建议使用光学缺陷探测仪(boroscope)对过渡件进行检查—关于故障排除请联系原始设备制造商(OEM)”。
重新参考判断方框502，如果特定传感器的测量值没有超出阈值，则跟随“否”分支512转到方框514。在方框514中，在执行另外的基本燃烧动态调谐工艺之前可由控制器(诸如240)实施一个或多个子工艺或测试。
方框516跟随在方框514之后，在方框516中可开始执行图6的基本燃烧动态调谐工艺600。
在图6中，方法600可监测燃气涡轮发动机的动态频率，并在需要时提供额外的报警。方法600起始于方框602。
在方框602中确定是否任意传感器的测量值超出大约为4psi的阈值。在该实施例中，来自相应的压力传送器(诸如型号为A96KF的压力传送器)的信号可由控制器(诸如240)接收，并与阈值(诸如大约4psi)进行比较。
如果特定传感器的测量值超出阈值，则“是”分支604转到方框606。在方框606中，控制器可在预定的时间量内启动计时器计时。在该实例中，控制器(诸如240)可启动计时器大约240秒。在其它实施例中，可在其它的计时持续时间内启动计时器。
方框608跟随在方框606之后，在方框608中确定传感器测量值的持续性。例如，如果控制器(诸如240)确定传感器的测量值持续预定的时间量，诸如针对大约240秒持续大约50%，则方法600可继续转到方框610。在其它实施例中，持续性的增加和计时可根据需要进行调整。
在方框610中可将指示传输给用户。在该实例中，控制器(诸如240)可通过图形用户接口将指示传输给用户。指示的实例可以是表述以下内容的报警消息，该内容为：“目前的动态水平可能影响燃烧件的寿命，建议在下一次机会时使用光学缺陷探测仪对过渡件的防冲击套筒(impingement sleeve)进行检查”。
重新参考判断方框602，如果特定传感器的测量值没有超出阈值，则跟随“否”分支612转到分支方框“B”614。判断方框616跟随在分支方框“B”614之后。在判断方框616中确定是否任意传感器的测量值超出大约为2psi的下阈值。在该实施例中，来自相应的压力传送器(诸如型号为A96KF的压力传送器)的信号可由控制器(诸如240)接收，并与下阈值(诸如大约2psi)进行比较。
如果特定传感器的测量值超出阈值，则“是”分支618转到方框620。在方框620中，控制器可在预定的时间量内增加各分管的计时器计时。在该实例中，可启动计时器大约1080秒。在其它实施例中，可在其它的计时持续时间内增加计时器计时。
重新参考判断方框616，如果特定传感器的测量值没有超出阈值，则跟随“否”分支622转到方框624。在方框624中，没有报警指示传输给用户。
方法600终止于方框624。根据需要，可重复执行方法600的一些或全部单元。
图7,8和9显示主动燃烧动态调谐工艺实例。通常，主动燃烧动态调谐工艺(诸如700,800,900)适于通过监测动态运行频率、根据需要提供报警、计算(countering)特定的燃烧动态特性以及对燃气涡轮发动机执行某些发动机控制命令来监测燃气涡轮发动机的稳态运行。在该实施例中，在基本燃烧动态调谐工艺(诸如600)实施之后，可由燃气涡轮发动机的控制器实施主动燃烧动态调谐工艺(诸如700)。具体地，图7显示了方法700，用于监测燃气涡轮发动机的动态频率并在需要时提供“跳闸”报警。
方法700起始于判断方框702。在判断方框702中确定两个或多个传感器是否存在故障。在该实施例中，来自相应的压力传送器(诸如型号为A96KF的压力传送器)的信号可由控制器(诸如240)接收，并由控制器240检查两个或多个传感器是否处于故障状态，诸如图4所描述的任意状态。如果两个或多个传感器处于故障状态，则燃气涡轮发动机可能不应当使用主动燃烧动态调谐工艺(诸如700)进行运行，并且跟随“是”分支704转到方框706。
在方框706中启动基本燃烧动态调谐工艺(诸如图5中的500)，并且方法700终止。
重新参考判断方框702，如果两个或多个传感器没有处于故障状态，则跟随“否”分支708转到判断方框710。在判断方框710中确定运行频率信息的中值是否高于上阈值或红色逻辑阈值。在该实施例中，控制器(诸如240)可确定与燃气涡轮发动机的分管相关的运行频率信息的中值是否高于大约为8psi峰峰值的上阈值。可与图3中计算中值相类似地确定该中值。
如果超出了上阈值，则跟随“是”分支712转到方框714。在方框714中，控制器(诸如240)可在预定的时间量内启动计时器计时。在该实例中，可启动计时器大约60秒。在其它实施例中，可在其它的计时持续时间内启动或另外地增加计时器计时。
方框716跟随在方框714之后，在方框716中确认传感器测量值的持续性。例如，控制器240可确定传感器的测量值是否持续预定的时间量，诸如针对大约60秒持续大约50%。在这种情况下，当确定了传感器测量值的持续性时，控制器240可确定燃气涡轮发动机在该频率下运行的持续时间，并且方法700可继续转到方框718。在其它实施例中，持续性的增加和计时可根据需要进行调整。
在方框718中可启动跳闸命令，并且相应的发动机控制命令可通过控制器传输。在该实施例中，跳闸命令可以是由控制器(诸如240)执行的停止燃气涡轮发动机的某些运行的发动机控制命令。
方框720跟随在方框718之后，在方框720中可将指示传输给用户。在该实例中，控制器(诸如240)可通过与控制器相关的用户接口将指示传输给用户。例如，表述以下内容的报警消息可通过图形用户接口或显示器传输，该内容为：“在重新起动机器之前建议使用光学缺陷探测仪对过渡件进行检查—关于故障排除请联系原始设备制造商(OEM)”。
重新参考判断方框710，如果中值没有超出上阈值，则跟随“否”分支722转到方框724。在方框724中，另外的主动燃烧动态调谐工艺(诸如800)可开始执行，并且方法700终止。
图8显示方法800，用于监测燃气涡轮发动机的动态频率并在需要时提供报警及执行发动机控制。
方法800起始于判断方框802。在判断方框802中确定运行频率信息的中值是否高于中间阈值或黄色逻辑阈值。在该实施例中，控制器(诸如240)可确定与燃气涡轮发动机的分管相关的运行频率信息的中值是否高于大约为4psi峰峰值的中间阈值。
如果超出了中间阈值，则跟随“是”分支804转到方框806。在方框806中，控制器可在预定的时间量内增加计时器计时。在该实例中，控制器(诸如240)可启动计时器大约240秒。在其它实施例中，可在其它的计时持续时间内启动或另外地增加计时器计时。
方框808跟随在方框806之后，在方框808中确认传感器测量值的持续性。例如，控制器240可确认传感器的测量值是否持续达预定的时间量，诸如针对240秒持续大约50%。在这种情况下，当确定了传感器测量值的持续性时，控制器240可确定燃气涡轮发动机在该频率下运行的持续时间，并且方法800可继续转到方框810。在其它实施例中，持续性的增加和计时可根据需要进行调整。
在方框810中可将指示传输给用户，并且可由控制器执行发动机控制命令。在该实例中，控制器(诸如240)可通过与控制器相关的用户接口将指示传输给用户。由控制器240通过图形用户接口或显示器传输的指示的实例可以是表述以下内容的报警消息，该内容为：“目前的动态水平可能影响燃烧件的寿命—运行调整正在进行中”。此外，发动机控制命令可通过控制器240传输，以调节在与燃气涡轮发动机相关的燃烧器之间的燃料分流(fuelsplit)。例如，PM1A燃料分流可逐渐增加预定的量，诸如大约3%。在其它实施例中，燃料分流可按其它的量增加，或可实施其它的指示或发动机控制命令。
在一个实施例中，当在方框808中检查持续性并且在方框810中执行发动机控制命令的同时，可由控制器(诸如240)对照上阈值连续地检查运行频率信息的中值，如在图7中的方框710所述。
方框812跟随在方框810之后，在方框812中确认新的传感器测量值的持续性。在由控制器240执行发动机控制命令(诸如增加PM1A燃料分流)之后，可相应地改变运行频率并应当检查传感器的测量值。例如，如果新的传感器测量值持续预定的时间量，诸如针对大约240秒持续大约50%，则可确认传感器的测量值，并且方法800可继续转到分支方框“C”814，该分支方框“C”814与图9中的分支方框“C”902相同。在其它实施例中，持续性可根据需要进行调整。
重新参考判断方框802，如果中值没有超出中间值，则跟随“否”分支816转到分支方框“B”818。判断方框820跟随在分支方框“B”818之后。
在判断方框820中确定是否任意传感器的测量值超出大约为2psi的下阈值或绿色逻辑阈值。在该实施例中，来自相应的压力传送器(诸如型号为A96KF的压力传送器)的信号可由控制器(诸如240)接收，并与下阈值(诸如大约2psi)进行比较。
如果特定传感器的测量值超出阈值，则“是”分支822转到方框824。在方框824中，控制器可在预定的时间量内启动或增加各分管的计时器计时。在该实例中，可启动或增加计时器大约1080秒。在其它实施例中，可在其它的计时持续时间内启动或增加计时器计时。
重新参考判断方框820，如果特定传感器的测量值没有超出下阈值，则跟随“否”分支826转到方框828。在方框828中没有报警指示通过控制器传输给用户，并且不需要采取进一步的动作。
方法800终止于方框828。
图9显示方法900，用于监测燃气涡轮发动机的动态频率并在需要时提供报警及执行发动机控制。
方法900起始于图9中的分支方框“C”902。判断方框904跟随在分支方框902之后。
在判断方框904中确定运行频率信息的中值是否高于中间阈值或黄色逻辑阈值。在该实施例中，控制器(诸如240)可确定与燃气涡轮发动机的分管相关的运行频率信息的中值是否高于大约为4psi峰峰值的中间阈值。
如果超出了中间阈值，则跟随“是”分支906转到方框908。在方框908中，控制器可在预定的时间量内增加计时器计时达并检查上阈值。在该实例中，控制器240可启动或增加计时器大约240秒。此外，比较运行频率信息的中值以确定是否超出上阈值或红色逻辑阈值。在其它实施例中，可在其它的计时持续时间内启动或增加计时器计时。
方框910跟随在方框908之后，在方框910中将指示传输给用户，并且可由控制器执行发动机控制命令。在该实例中，控制器(诸如240)可将指示提供给用户。指示的实例可以是表述以下内容的报警消息，该内容为：“目前的动态水平可能影响燃烧件的寿命—运行调整正在进行中”。此外，发动机控制命令可通过控制器240传输，以降低燃气涡轮发动机的负荷。例如，燃气涡轮发动机的负荷可逐渐降低预定的量，诸如大约10%。在其它实施例中，燃气涡轮机的负荷可按其它的量降低，或可执行其他的指示或发动机控制命令。
在包含机械驱动应用的一个实施例中，带有上述报警消息的类似指示可传输给用户，并且可执行便于降低燃烧基准温度(TTRF)的发动机控制命令。
判断方框912跟随在方框910之后，在判断方框912中确定运行频率信息的中值是否高于中间阈值或黄色逻辑阈值。在该实施例中，控制器(诸如240)可确定与燃气涡轮发动机的分管相关的运行频率信息的中值是否高于大约为4psi峰峰值的中间阈值。
如果没有超出中间阈值，则跟随“否”分支914转到方框916。在方框916中可将中值与下阈值或绿色逻辑阈值进行比较。在该实施例中，控制器240可确认中值处于下阈值(诸如2psi的峰峰值)之内。
方框918跟随在方框916之后，在方框918中可将指示传输给用户。在该实例中，控制器240可将指示提供给用户。指示的实例可以是表述以下内容的报警消息，该内容为：“由于燃烧动态特性而降低负荷”。在这种情况下，用户可在监测运行频率的同时逐渐提高燃气涡轮发动机的负荷。在其它实施例中，可执行其它的指示。
在一个实施例中，如果用户不能够在足够的负荷下运行燃气涡轮发动机，则用户可要求允许使用基本燃烧动态调谐工艺(诸如500或600)来运行燃气涡轮发动机。
重新参考判断方框912，如果超出了中间阈值，则跟随“是”分支920转到方框922。在方框922中，控制器240可在预定的时间量内增加计时器计时并检查上阈值。在该实例中，控制器可启动或增加计时器大约240秒。此外，比较运行频率信息的中值以确定是否超出上阈值或红色逻辑阈值。在其它实施例中，可在其它的计时持续时间内启动或增加计时器计时。
方框924跟随在方框922之后，在方框924中可由控制器执行发动机控制命令。在该实例中，控制器240可按较安全的扩散模式(diffusion mode)或其它模式运行燃气涡轮发动机以保护燃气涡轮发动机。在其它实施例中，可由控制器240执行其它的发动机控制命令。
判断方框926跟随在方框924之后，在判断方框926中确定运行频率信息的中值是否高于中间阈值或黄色逻辑阈值。在该实施例中，控制器(诸如240)可确定与燃气涡轮发动机的分管相关的运行频率信息的中值是否高于大约为4psi峰峰值的中间阈值。
如果超出了中间阈值，则跟随“是”分支928转到方框930。在方框930中，控制器240可在预定的时间量内启动或增加计时器计时并检查上阈值。在该实例中，可启动或增加该计时器大约240秒。此外，比较运行频率信息的中值以确定是否超出上阈值或红色逻辑阈值。在其它实施例中，可在其它的计时持续时间内启动或增加计时器计时。
方框932跟随在方框930之后，在方框932中可将指示传输给用户。在该实例中，控制器(诸如240)可将指示提供给用户。指示的实例可以是表述“持续的动态特性处于扩散中”的报警消息。在这种情况下，用户必须以扩散模式运行燃气涡轮发动机，并且方法900终止。
重新参考判断方框926，如果没有超出中间阈值，则跟随“否”分支934转到方框936。在方框936中控制器240可将指示提供给用户。在该实例中，指示可以是表述以下内容的报警消息，该内容为：“关于故障排除请与原始设备制造商(OEM)联系，并设定预混合锁定(premix lockout)”。在其它实施例中，可执行其它的指示。
分支方框“B”938跟随在方框936之后，分支方框“B”938与图6中的分支方框“B”614相同，其中方法600在分支方框“B”614中继续执行。
重新参考判断方框904，如果没有超出中间阈值，则跟随“否”分支940转到方框942。在方框942中将中值与下阈值或绿色逻辑阈值进行比较。在该实施例中，控制器240可确认中值处于下阈值(诸如大约2psi峰峰值)之内。
方框944跟随在方框942之后，在方框944中可将指示传输给用户并由控制器执行发动机控制命令。在该实例中，控制器240可将指示提供给用户。指示的实例可以是表述“排放可能不合格”的报警消息。此外，发动机控制命令可通过控制器240传输，以将在与燃气涡轮发动机相关的燃烧器之间的燃料分流调节回到原始设置。例如，燃料分流可按预定的量(诸如每小时大约3%)逐渐返回到原始的PM1A燃料分流。另外，控制器可确定在控制命令执行期间是否超出中间阈值，并在需要时启动另外的发动机控制命令。例如，对于超出中间阈值的各种情况，PM1A燃料分流可在公称PM1A+3%的限度下增加大约0.5%。在其它实施例中，燃料分流可按其它的量增加或降低，或可由控制器执行其他的指示或发动机控制命令。
在一个实施例中，控制器(诸如240)可启动计时器计时，以确定PM1A燃料分流大于公称量的持续时间。
判断方框946跟随在方框944之后，在判断方框946中确定运行频率信息的中值是否高于中间阈值或黄色逻辑阈值。在该实施例中，控制器(诸如240)可确定与燃气涡轮发动机的分管相关的运行频率信息的中值是否高于大约为4psi峰峰值的中间阈值。
如果没有超出中间阈值，则跟随“否”分支948转到分支方框“B”950，分支方框“B”950与图6中的分支方框“B”614相同，并且方法600开始执行。
重新参考判断方框946，如果超出了中间阈值，则跟随“是”分支952转到方框954。在方框954中，控制器240可在预定的时间量内增加计时器计时并检查上阈值。在该实例中，控制器240可启动或增加计时器大约240秒。此外，比较运行频率信息的中值以确定是否超出上阈值或红色逻辑阈值。在其它实施例中，可在其它的计时持续时间内启动或增加计时器计时。
方框956跟随在方框954之后，在方框956中将指示传输给用户。在该实例中，控制器(诸如240)可将指示提供给用户。指示的实例可以是表述以下内容的报警消息，该内容为：“持续的动态特性处于预混合中，分流校正处于运行并且排放有可能不合格”。在这种情况下，控制器240使燃气涡轮发动机保持在原始的PM1A燃料分流+3%。
分支方框“B”950跟随在方框956之后，分支方框“B”950与图6中的分支方框“B”614相同，并且方法600开始执行。
图10显示对于特定的燃气涡轮发动机执行燃烧动态调谐工艺的实施例。在图10中显示燃气涡轮发动机实例的一系列稳态型运行频率数据1000的实例。大约260个运行频率数据点1000沿着x轴1004绘制，并且数据点的峰峰值动态压力(psi)相对y轴1002显示。对于各运行频率数据还绘制了移动黄色阈值1006。参照该图中的数据，只有在1008,1010,1012的三种情况下超出黄色阈值1006。在这些情况下，主动燃烧动态调谐工艺执行发动机控制命令以降低燃气涡轮发动机的运行频率。如其余的数据所示，在所显示的大部分数据点上运行频率保持在移动黄色阈值1006下方。
受益于以上描述及相关附图给出的教导，本发明所涉及的本领域技术人员可想到本文所阐述的发明的许多变型和其它实施例。因此，本领域的普通技术人员可以认识到，本发明可以以多种形式实施，而且不应当受限于以上所描述的实施例。因此，应当理解，本发明不限于所公开的具体实施例，并且变型及其它实施例旨在包括在权利要求中。虽然本文采用了具体的术语，但是它们在一般性及描述性的意义上使用，而并非用于限制性的目的。

Claims (14)

1.一种用于控制燃气涡轮发动机的方法，所述发动机包括多个分管，所述方法包括：
获取与所述发动机的多个分管相关的运行频率信息；
在发动机的起动运行期间，确定对于每个特定的分管所述运行频率信息对于预定的时间是否超出至少一个起动运行阈值；以及
当超出至少一个起动运行阈值时实施至少一个发动机起动控制动作来改变特定的分管的运行；
在所述燃气涡轮发动机的稳态运行期间至少部分地基于所述运行频率信息确定至少两个分管的运行频率信息之间的差异；
至少部分地基于所述差异确定中值；
对于另一预定的时间确定所述中值或对于特定分管的所述运行频率信息是否超出至少一个稳态运行阈值；以及
当对于该另一预定的时间超出至少一个稳态运行阈值时实施至少一个发动机稳态控制动作来改变所述燃气涡轮发动机或特定分管的运行，
其中以上要素由至少一个计算机处理器实施。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，运行频率信息包括以下中的至少一项：运行幅度或动态运行压力。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定的时间或另一预定的时间均为60秒、240秒或1080秒。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个起动运行阈值和所述至少一个稳态运行阈值包括以下中的至少一项：峰峰动态幅度值、期望的动态幅度值、或最大动态幅度值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个发动机起动控制动作和所述至少一个发动机稳态控制动作包括以下中的至少一项：降低负荷、控制燃料分流或使燃气涡轮发动机跳闸。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法由计算机自动执行。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个起动运行阈值和所述至少一个稳态运行阈值包括以下中的至少一项：下阈值，中间阈值，上阈值。
8.一种用于控制带有多个分管的燃气涡轮发动机的基于模型的控制系统，所述系统包括：
多个传感器，其适于获取与相应分管相关的运行频率信息；
模型，其适于从所述多个传感器接收信息，其中，所述模型适于：
在发动机的起动运行期间：
对于预定的时间确定对于每个特定分管所述运行频率信息是否超出至少一个起动运行阈值；以及
当对于所述预定的时间超出所述至少一个起动运行阈值时确定适于改变所述发动机的相应分管的运行的输出；以及
在发动机的稳态运行期间：
至少部分地基于所述运行频率信息确定至少两个分管的运行频率信息之间的差异；
至少部分地基于所述差异确定中值；以及
对于另一预定的时间确定所述中值或者对于特定分管所述运行频率信息是否超出至少一个稳态运行阈值；
当对于另一预定的时间超出至少一个稳态运行阈值时确定适于改变所述发动机的相应分管的输出；以及
控制器，其适于至少部分地基于来自所述模型的输出来确定发动机控制动作，并且还适于输出控制命令以执行所述发动机控制动作。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，运行频率信息包括以下中的至少一项：运行幅度或动态运行压力。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述预定的时间或另一预定的时间均为60秒、240秒或1080秒。
11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述至少一个起动运行阈值和所述至少一个稳态运行阈值包括以下中的至少一项：峰峰动态幅度值、期望的动态幅度值、或最大动态幅度值。
12.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述至少一个发动机起动控制动作和所述至少一个发动机稳态控制动作包括以下中的至少一项：降低负荷、控制燃料分流或使燃气涡轮发动机跳闸。
13.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述模型还适于：
重复至少一部分在前的步骤，其中附加的运行频率信息被输入所述模型以改善发动机控制。
14.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述模型由计算机自动执行。
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