CN106257019B

CN106257019B - 燃气轮机的自学习控制系统和用于控制燃气轮机的方法

Info

Publication number: CN106257019B
Application number: CN201610439904.3A
Authority: CN
Inventors: 艾丽斯·维尔吉尼娅·佩森蒂; 保罗·柯司塔; 多梅尼科·特里佩皮
Original assignee: Ansaldo Energia SpA; ASEN Ansaldo Sviluppo Energia SRL
Current assignee: Asen; Ansaldo Energia SpA; ASEN Ansaldo Sviluppo Energia SRL
Priority date: 2015-06-17
Filing date: 2016-06-17
Publication date: 2020-08-25
Anticipated expiration: 2036-06-17
Also published as: EP3106953B1; EP3106953A1; CN106257019A

Abstract

燃气轮机的控制系统包括：状态检测站(4)，其提供状态信号(S0，......，SN)；监测模块(15)，其接收所述状态信号的第一子集(SS1)并根据所述第一子集(SS1)的状态信号检测关键事件的发生；状态记录模块(16)，其接收所述状态信号的第二子集(SS2)，并将关键状态(CRS)与检测到的关键事件的发生联系起来；数据库(19)，其限定关键事件与响应于各个关键事件的发生而待执行的校正动作(ACT)之间的联系；自学习模块(17)，其根据通过所述状态记录模块(16)产生的关键状态(CRS)与关键事件之间的联系以及根据在第一数据库(19)中包含的联系使关键状态(CRS)与校正动作(ACT)关联起来。

Description

燃气轮机的自学习控制系统和用于控制燃气轮机的方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机的自学习控制系统和用于控制燃气轮机的方法。

背景技术

如已经所知道的，对用于发电的机组的燃气轮机的控制具有非常复杂的方面，既涉及性能和符合有关环境保护的法规，又涉及保持机器及其组件的效率的需要，以避免它们过早老化，并且最重要的是，避免任何潜在的灾难性的故障。

例如，适当控制燃烧条件对于保持高效率水平且同时使污染排放控制在法律要求的越来越严格的范围内是必需的。糟糕的燃烧条件还可能给机器结构造成严重的破坏。事实上，某些不稳定的条件可能造成燃烧室的振动(“嗡嗡作响”)，这可能在某个共振频率下被加强。这种类型的事件可能对通常由邻接的陶瓷砖构成的燃烧室的内隔热涂层特别有害。燃烧室的振动可容易地破坏该隔热涂层，因此这就要求维护比所希望的更频繁。此外，尽管经常维护，隔热涂层仍可能失去其效力而不再能够为燃烧室的金属外壳提供充分的保护，在这种情况下从而可能出现严重的，甚至不可逆的破坏。

虽然其它关键事件如过多的污染排放可能自身对机器没有危险，但是既为了符合法律法规，又因为机器效率被显著降低，因此要避免它们。

响应于关键事件的开始，已知的控制系统保证校正行动改变燃气轮机的运行状况。例如，如果已检测到燃烧室外壳的机械振动超过允许的范围，则控制系统能够干预燃料供应以改变火焰的状况，从而使振动恢复到接受的范围内。

然而，允许的干预相对较迟，因为这些干预仅在关键情况出现并被识别后才允许进行补救。而预防关键状况或至少是更迅速地进行操作将是期望的。

发明内容

因此，本发明的目的是提供能够克服前述缺陷，特别是促进对关键事件的预防的燃气轮机的控制系统和用于控制燃气轮机的方法。

根据本发明的一方面，提供了燃气轮机的控制系统，包括：

状态检测站，提供表示各个作业量的状态信号；

第一监测模块，其接收所述状态信号的第一子集，并被配置为根据所述第一子集的状态信号的值检测关键事件的发生；

状态记录模块，其接收所述状态信号的第二子集，并被配置为将关键状态与由第一监测模块检测到的关键事件的发生联系起来，所述关键状态由暂时与所述关键事件的发生有关的所述第二子集的状态信号的各个值限定；

第一数据库，其限定关键事件的标识符与由响应于各个关键事件的发生而待执行的多组指令限定的校正动作之间的联系；

自学习模块，被配置为根据由所述状态记录模块产生的关键状态与关键事件之间的联系以及根据在所述第一数据库中包含的校正动作与关键事件之间的联系使关键状态与校正动作关联起来。

根据本发明的另一方面，提供了燃气轮机机组的控制方法，所述燃气轮机机组包括燃气轮机和与所述燃气轮机耦合的控制系统；

所述方法包括：

提供表示与所述燃气轮机的操作有关的各个作业量的状态信号；

根据所述状态信号的第一子集的状态信号的值检测关键事件的发生；

将关键状态与检测到的关键事件的发生联系起来，所述关键状态由暂时与所述关键事件的发生有关的所述状态信号的第二子集的状态信号的各个值限定；

在第一数据库中存储关键事件的标识符与由响应于各个关键事件的发生而待执行的多组指令限定的校正动作之间的联系；

根据关键状态与关键事件之间的联系以及根据在所述第一数据库中包含的校正动作与关键事件之间的联系使关键状态与校正动作关联起来。

附图说明

现将参照举例说明非限制性实施方式的附图描述本发明，其中：

图1是用于发电的燃气轮机机组的简化的框图。

图2是图1的机组的一部分的更详细的框图，包括根据本发明的实施方式的控制系统。

图3是图2的控制系统的数据库的示意图。

图4是图2的控制系统的另一个数据库的示意图。

图5是图2的控制系统的又一个数据库的示意图。

具体实施方式

参照图1，编号1表示用于发电的机组的整体，包括燃气轮机2和控制系统3。控制系统3包括状态检测站4、机组控制器5、致动器7和保护站8。

如图2所示，状态检测站4可以包括多个传感器10和一个或多个处理模块12，并被配置为提供多个表示与燃气轮机2有关的作业量的状态信号S0，……，SN。传感器10可以包括环境条件(温度、压力、空气湿度)的传感器和燃气轮机2的作业量的传感器，通过非限制性举例的方式，传感器10包括与燃烧室外壳机械耦合的进出口压力和温度传感器、燃烧室动态压力和温度传感器、载荷传感器、污染物浓度传感器、燃料质量传感器、振动传感器，特别是加速度传感器(accelerometer)等。

状态信号S0，……，SN可以直接由各个传感器10产生或由处理模块12处理并提供。例如，状态信号S0，……，SN中的一些可以通过分析机械振动信号的频率得到，并且可以表示某些频带中的振幅。其它表示不能直接测量的量的信号(例如，与燃烧室的参数有关)可以由其它变量的测量结果通过估算方法得到，或者通过处理状态信号S0，……，SN的集合(aggregate)得到。例如，表示火焰位置的信号可以由温度传感器提供的状态信号S0，……，SN的比较得到，其中所述温度传感器与围绕燃气轮机2的燃烧室的每个燃烧器的隔热瓷砖耦合。

至少状态信号S0，……，SN的子集的值限定机组1的状态。

机组控制器5使用状态信号来确定通过致动器7对机组1进行的操作。

保护站8(图2)包括关键事件监测模块15、状态记录模块16、自学习模块17、事件-状态数据库18、事件-动作数据库19、状态-动作数据库20和状态监测模块22。

关键事件监测模块15接收状态信号S0，……，SN的第一子集SS1，并且设有记忆单元23，记忆单元23存储关于限定燃气轮机2的各个关键事件的第一子集SS1的状态信号S0，……，SN的值的条件。每个关键事件可以由关于单个状态信号S0，……，SN的条件限定，或者由关于多个状态信号S0，……，SN的相互有关的条件限定。因此，可以根据单个状态信号的可接受间隔(acceptability interval)SK或根据第一子集SS1的状态信号S0，……，SN的组合的相关可接受间隔表示条件。例如，关键事件可以通过条件

(RK’为可接受的间隔)限定；或者，可以通过SK>THK(THK为最大阈值)限定。关键事件可以通过在第一子集SS1中的多个状态信号S0，……，SN上同时出现的条件限定。例如，关键事件通过经同时验证的条件

和

(RJ和RK”为相关的可接受的间隔)限定。

除了别的之外，第一子集SS1的状态信号S0，……，SN可以包括表示在某些频带中的振幅的信号、表示火焰位置的信号和表示污染排放水平(例如，CO2和NOx)的信号

关键事件监测模块15把检测到的关键事件的发生通知状态记录模块16。通知N包括检测到的关键事件的类型的标识符ID(例如，标记或导致该检测和通知的未得到满足的条件)。

状态记录模块16接收状态信号S0，……，SN的第二子集SS2，并且响应于来自关键事件监测模块15的关键事件的发生的通知N，状态记录模块16将来自机组1的关键状态CRS存储于事件-状态数据库18中，将关键状态CRS与接收到的表示检测到的关键事件的类型联系起来。关键状态CRS由暂时与关键事件的发生有关的第二子集SS2的状态信号S0，……，SN的值限定。特别地，由状态记录模块16记录的第二子集SS2的状态信号S0，……，SN的值可以为对关键事件的发生进行通知N时的瞬时值、之前临时存储的瞬时值或一系列按时间顺序的值。除了别的之外，状态信号S0，……，SN的第二子集SS2可以包括表示环境条件(温度、压力、湿度)的信号、表示燃气轮机2的操作点的信号、表示燃烧室的振动状况的信号(例如，加速度信号和动态压力信号)和表示燃料质量的信号。状态信号S0，……，SN的第一子集SS1和第二子集SS2不一定相互排斥，可能二者与状态信号S0，……，SN的全体一致。

因此，事件-状态数据库18包含多个元素或记录18a，其中关键事件的每次发生与机组1的关键状态CRS有关，所述机组1的关键状态CRS由状态记录模块16响应于通知N而提供的第二子集SS2的状态信号S0，……，SN的对应值限定(图3)。

自学习模块17从事件-状态数据库18的内容和事件-动作数据库19的内容开始创建状态-动作数据库20。

事件-动作数据库19可以在项目数据和实验数据的基础上创建，包含关键事件的类型与校正动作之间的联系。校正动作可以限定为响应于各个关键事件的发生而待执行的多组指令(指令的执行可以托付给机组控制器5)。特别地，作为非限制性实例，校正动作可以包括对负载基准(“设置点”)进行改变、对废气温度基准进行改变或对致动器7进行直接干预，如改变气流速率或改变供应给燃气轮机2的燃料流动速率。

关键事件的类型可以通过标识符ID限定，例如还用于关键事件监测模块15的通知和插入事件-状态数据库18中的那些标识符ID(标记或导致关键事件的检测的未得到满足的条件)。详细地，事件-动作数据库19包含多个元素19a，每个元素19a都包括关键事件的类型的标识符ID和对应的校正动作ACT(图4)。

基于在事件-状态数据库18中限定的机组1的关键状态CRS与关键事件的发生之间的联系和在事件-动作数据库19中限定的关键事件与校正动作ACT之间的联系，自学习模块17将在事件-状态数据库18中存储的机组1的关键状态CRS与在状态-动作数据库20中存储的对应校正动作ACT联系起来。

自学习模块17将事件-状态数据库18中限定的机组1的每个关键状态CRS与在事件-状态数据库18中的响应于与相同的关键状态CRS有关的关键事件的检测而应实施的各个校正动作ACT(从状态-动作数据库20中提取的)联系起来(在关键事件发生之后，在事件-状态数据库18中建立关键事件的类型与关键状态CRS之间的联系，其中所述关键事件的发生导致关键事件监测模块15进行通知N、状态记录模块16记录关键状态CRS、将通知的关键事件的类型与关键记录状态CRS联系起来，和使包含通知的关键事件的标识符ID与关键记录状态CRS的元素包括到事件-状态数据库18中)。关键状态CRS与校正动作ACT之间的联系基于指明事件-状态数据库18和事件-动作数据库19中的关键事件的类型的标识符ID。将由自学习模块所进行的联系的结果以数据库元素20a的形式插入状态-动作数据库20中(图5)，该数据库元素20a包括关键状态CRS(即与关键事件的发生的通知对应的第二子集SS2的状态信号S0，……，SN的值)和与对应于关键事件的关键状态有关的校正动作ACT。

自学习模块17可以响应于事件-状态数据库18或事件-动作数据库19的更新(例如，包括新元素或已有元素的变化)而被周期性地或选择性地激活。

状态监测模块22接收第二子集SS2的状态信号S0，……，SN，即同样供给状态记录模块16的相同状态信号S0，……，SN。状态监测模块22比较机组1的当前状态与在状态-动作数据库20中存储的关键状态CRS。机组1的当前状态由通过状态监测模块22接收的第二子集SS2的状态信号S0，……，SN的当前值限定。更确切地说，机组1的当前状态可以由按时间顺序的一系列状态信号S0，……，SN限定或由其单个值限定。如果状态监测模块22发现机组1的当前状态与在状态-动作数据库20中存储的关键状态中的一个关键状态相匹配，则从状态-动作数据库20中提取限定与关键状态有关的校正动作的指令，并将该指令发送给机组控制器5。机组控制器5立即并以高优先级执行接收到的指令。

所描述的控制系统3提高对可能负面影响燃气轮机2的性能和/或结构完整性的关键事件或可能造成不符合法律和法规(例如，关于污染排放或对网络频率调整的参与的法律和法规)的关键事件的预防。事实上，控制系统3使关键事件的发生与机组1的某些关键状态关联起来，并在机组1的当前状态一与关键状态相对应就执行校正动作。关键状态是关键事件的发生的早期指示器。事实上，关键事件通常并不突然发生，而是当机组1以已知状态保持一段时间时或在逐步逼近关键状态后才发生。然后，控制系统3能够实施校正动作，用于相对于关键事件的发生通常提前保护机组1，由于快速反应因此能够避免所述关键事件的发生的不利影响或至少能够减轻所述关键事件的发生的不利影响。

相对于检测到的关键事件的发生以希望的时间顺序关系记录一系列按时间顺序的状态信号或其单个值的能力使得控制系统3在限定与关键事件有关的状态方面灵活。反过来这种灵活性又改善由于假阳性(即，对确定为关键但不一定引起关键事件的状态的识别)造成的紧急情况中的干预时间，而不损害性能。

多亏自学习方式的操作，所述干预条件(具有保护性校正动作)可以适应机组1的实际行为。关键事件的发生事实上在实践中可能与环境和项目中机组1预测的状态不一致。在任何情况下，机组1的整体操作条件倾向于随时间而改变，例如由于组件的老化和磨损。由于不可避免的容差以及由于操作参数的中期变化和长期变化，控制系统3对项目参数的变化做出响应。

最后，明显的是，在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对描述的控制系统和方法进行修改和变更。

Claims

1.一种燃气轮机的控制系统，包括：

状态检测站(4)，提供表示各个作业量的状态信号(S0，……，SN)；

第一监测模块(15)，接收所述状态信号(S0，……，SN)的第一子集(SS1)，并被配置为根据所述第一子集(SS1)的状态信号(S0，……，SN)的值检测关键事件的发生；

状态记录模块(16)，接收所述状态信号(S0，……，SN)的第二子集(SS2)，并被配置为将关键状态(CRS)与由第一监测模块(15)检测到的关键事件的发生联系起来，所述关键状态(CRS)由预先于所述关键事件的发生的所述第二子集(SS2)的状态信号(S0，……，SN)的各个值限定并被暂时存储；

第一数据库(19)，限定关键事件的标识符(ID)与由响应于各个关键事件的发生而待执行的多组指令限定的校正动作(ACT)之间的联系；

自学习模块(17)，被配置为根据由所述状态记录模块(16)产生的关键状态(CRS)与关键事件之间的联系以及根据在所述第一数据库(19)中包含的校正动作(ACT)与关键事件之间的联系使关键状态(CRS)与校正动作(ACT)关联起来。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述第一数据库(19)包含多个数据库条目，每个数据库条目包含关键事件的标识符(ID)和至少一个对应的校正动作(ACT)。

3.根据权利要求2所述的控制系统，包括第二数据库(18)，所述第二数据库(18)限定关键状态(CRS)与由第一监测模块(15)所检测到的关键事件的发生之间的联系。

4.根据权利要求3所述的控制系统，其中，所述第二数据库(18)包含多个数据库条目，每个数据库条目包含关键事件的标识符(ID)和对应的校正状态(CRS)。

5.根据权利要求3所述的控制系统，其中，所述自学习模块(17)被配置为根据所述第一数据库(19)的内容和所述第二数据库(18)的内容使所述关键状态(CRS)与所述校正动作(ACT)关联起来。

6.根据权利要求3所述的控制系统，其中，所述自学习模块(17)被配置为基于所述关键事件的标识符(ID)使所述关键状态(CRS)与所述校正动作(ACT)关联起来。

7.根据权利要求3所述的控制系统，包括第三数据库(20)，所述第三数据库(20)限定所述关键状态(CRS)与所述校正动作(ACT)之间的联系。

8.根据权利要求7所述的控制系统，其中，所述第三数据库(20)包含多个数据库条目，每个数据库条目包含关键状态(CRS)和对应的校正动作(ACT)。

9.根据权利要求7所述的控制系统，包括状态监测模块(22)，所述状态监测模块(22)接收所述第二子集(SS2)的状态信号(S0，……，SN)，并被配置为比较由所述第二子集(SS2)的状态信号(S0，……，SN)的当前值限定的当前状态与所述第三数据库(20)中存储的关键状态(CRS)。

10.根据权利要求9所述的控制系统，其中，所述状态监测模块(22)被配置为：如果与所述校正动作(ACT)有关的所述关键状态与所述当前状态相匹配，就从所述第三数据库(20)中提取所述校正动作(ACT)。

11.根据权利要求10所述的控制系统，包括机组控制器(5)，所述状态监测模块(22)被配置为将从所述第三数据库(20)中提取的校正动作(ACT)发送到所述机组控制器(5)，并且所述机组控制器(5)被配置为执行所述校正动作(ACT)。

12.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述第一监测模块(15)被配置为将检测到的关键事件的发生通知所述状态记录模块(16)。

13.根据权利要求12所述的控制系统，其中，所述第一数据库(19)包含多个数据库条目，每个数据库条目包含关键事件的标识符(ID)和至少一个对应的校正动作(ACT)，并且，其中所述第一监测模块(15)被配置为将检测到的关键事件的标识符(ID)通知所述状态记录模块(16)。

14.一种用于发电的机组，包括燃气轮机(2)和与所述燃气轮机(2)耦合的根据权利要求1所述的控制系统(3)。

15.根据权利要求14所述的机组，其中，所述状态信号(S0，……，SN)表示与所述燃气轮机(2)的操作有关的各个作业量。

16.一种用于控制燃气轮机机组的方法，所述燃气轮机机组包括燃气轮机(2)和与所述燃气轮机(2)耦合的控制系统(3)；

所述方法包括：

提供表示与所述燃气轮机(2)的操作有关的各个作业量的状态信号(S0，……，SN)；

根据所述状态信号(S0，……，SN)的第一子集(SS1)的状态信号(S0，……，SN)的值检测关键事件的发生；

将关键状态(CRS)与检测到的关键事件的发生联系起来，所述关键状态(CRS)由预先于所述关键事件的发生的所述状态信号(S0，……，SN)的第二子集(SS2)的状态信号(S0，……，SN)的各个值限定并被暂时存储；

在第一数据库(19)中存储关键事件的标识符(ID)与由响应于各个关键事件的发生而待执行的多组指令限定的校正动作之间的联系；

根据关键状态(CRS)与关键事件之间的联系以及根据在所述第一数据库(19)中包含的校正动作(ACT)与关键事件之间的联系使关键状态(CRS)与校正动作(ACT)关联起来。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，将关键状态(CRS)与检测到的关键事件的发生联系起来包括在第二数据库(18)中存储所述关键状态(CRS)与所述关键事件的发生之间的联系。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，使关键状态(CRS)与校正动作(ACT)关联起来包括在第三数据库(20)中存储所述关键状态(CRS)与所述校正动作(ACT)之间的联系。

19.根据权利要求18所述的方法，包括比较由所述第二子集(SS2)的状态信号(S0，……，SN)的当前值限定的当前状态与在第三数据库中存储的所述关键状态(CRS)，以及如果与所述校正动作(ACT)有关的所述关键状态与所述当前状态相匹配，就从所述第三数据库(20)中提取所述校正动作(ACT)。