CN106988893A - 在燃气轮机调节中对功率输出‑排放参数的概率控制 - Google Patents

在燃气轮机调节中对功率输出‑排放参数的概率控制 Download PDF

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Abstract

各种实施例包括一种系统，其具有：配置成通过执行包括下者的动作来调节一组燃气轮机(GT)(10)的至少一个计算装置(814)：基于该组GT(10)中的各个GT(10)的测得的环境状况命令各个GT(10)至基本负载水平；命令该组GT(10)中的各个GT(10)调整相应功率输出来匹配等于相应功率输出与标称功率输出值之间的差的一部分的经换算的功率输出值，以及随后测量各个GT的实际排放值；以及基于相应的测得的实际排放值、在环境状况下的标称排放值之间的差和排放换算因子来调整该组GT(10)中的各个GT(10)的运行状况。

Description

在燃气轮机调节中对功率输出-排放参数的概率控制
相关申请的交叉引用
本申请涉及共同未决的美国专利申请No. 14/546,948(律师案卷No. 276618-1)、美国专利申请No. 14/546,504(律师案卷No. 276701-1)、美国专利申请No. 14/546,512(律师案卷No. 276802-1)、美国专利申请No. 14/546,520(律师案卷No. 276809-1)和美国专利申请No. 14/546,491(律师案卷No. 276172-1)。本申请还涉及于与本文同时在2015年12月16日提交的共同未决的美国专利申请No. 14/686,126(律师案卷No. 279191-1)、美国专利申请No. 14/686,136(律师案卷No. 279192-1)、美国专利申请No. 14/686,145(律师案卷No. 279193-1)、美国专利申请No. 14/686,151(律师案卷No. 279976-1)、美国专利申请No. 14/686,157(律师案卷No. 279978-1)、美国专利申请No. 14/686,164(律师案卷No.279981-1)、美国专利申请No. 14/686,171(律师案卷No. 279982-1)、美国专利申请No.14/686,183(律师案卷No. 279983-1)、美国专利申请No. 14/686,193(律师案卷No.279984-1)和美国专利申请No. 14/686,201(律师案卷No. 279985-1)；以及美国专利申请No. 14/971,736(律师案卷No. 283549-1)、美国专利申请No. 14/971,730 (律师案卷No.283752-1)、美国专利申请No. 14/971,740(律师案卷No. 283091-1)、美国专利申请No.14/971,721(律师案卷No. 284087-1)、美国专利申请No. 14/971,716(律师案卷No.284468-1)和美国专利申请No. 14/971,710(律师案卷No. 284472-1)。
技术领域
本文公开的主题涉及调节和控制系统。更具体而言，本文公开的主题涉及用于燃气轮机的调节和控制系统。
背景技术
至少一些已知的燃气涡轮发动机包括监测和控制其运行的控制器。已知的控制器使用发动机的运行参数管理燃气涡轮发动机的燃烧系统和燃气涡轮发动机的其它运行方面。至少一些已知的控制器接收指示燃气涡轮发动机的当前运行状态的运行参数，通过基于物理的模型或传递函数限定运行边界，且将运行参数应用于运行边界模型。此外，至少一些已知的控制器还将运行参数应用于调度算法，确定误差项，以及通过调整一个或多个燃气涡轮发动机控制效应器来控制边界。然而，至少一些运行参数可为不可测量的参数，如，对于使用传感器测量来说不实际的参数。此类参数中的一些包括喷燃温度(即，1级涡轮导叶出口温度)、燃烧器出口温度和/或涡轮1级喷嘴入口温度。
至少一些已知燃气涡轮发动机控制系统使用测得的参数(如，压缩机入口压力和温度、压缩机出口压力和温度、涡轮排气压力和温度、燃料流量和温度、环境状况和/或发电机功率)来间接地控制或监测不可测量的运行参数。然而，间接参数中的值中存在不确定性，且相关联的燃气涡轮发动机可能需要调节，以减小燃烧动态性和排放。由于不可测量的参数的不确定性，故设计裕度用于包括此类已知控制系统的燃气涡轮发动机。使用此类设计裕度可降低一些运行状况下的燃气涡轮发动机的性能，以图避免和适应最坏情况的运行边界。然而，一些此类已知的控制系统可能不准确地估计燃气涡轮发动机的喷燃温度或排气温度，这可导致发动机不太高效和在具有一个以上的燃气涡轮发动机的设施中导致不同机器之间的差异。
减小工业燃气轮机的不同机器之间的喷燃温度差异证明是很困难的。例如，喷燃温度为许多不同变量的函数，包括燃气轮机的构件及其组件的差异。这些差异归因于燃气轮机部分的制造、安装和组装中的所需公差。此外，用于测量燃气轮机的运行参数的控制器和传感器在其测量结果中包含一定量的不确定性。其为用于感测测得的运行参数的值和必然导致燃气涡轮发动机的不可测量的运行参数(如喷燃温度)的差异的机器构件差异的测量系统中的不确定性。这些固有的不准确性的组合使得难以在已知的一组环境状况下实现燃气涡轮发动机的设计喷燃温度，且导致不同机器之间的喷燃温度差异。
发明内容
各种实施例包括一种系统，其具有：配置成通过执行包括下者的动作来调节一组燃气轮机(GT)的至少一个计算装置：基于该组GT中的各个GT的测得的环境状况命令各个GT至基本负载水平；命令该组GT中的各个GT调整相应功率输出(兆瓦(MW)功率输出)来匹配等于相应功率输出与标称功率输出值之间的差的一部分的经换算(scale)的功率输出值，以及随后测量各个GT的实际排放值；以及基于相应的测得的实际排放值、在环境状况下的标称排放值之间的差和排放换算因子来调整该组GT中的各个GT的运行状况。
第一方面包括一种系统，其具有：配置成通过执行包括下者的动作来调节一组燃气轮机(GT)的至少一个计算装置：基于该组GT中的各个GT的测得的环境状况命令各个GT至基本负载水平；命令该组GT中的各个GT调整相应功率输出(MW功率输出)来匹配等于相应功率输出与标称功率输出值之间的差的一部分的经换算的功率输出值，以及随后测量各个GT的实际排放值；以及基于相应的测得的实际排放值、在环境状况下的标称排放值之间的差和排放换算因子来调整该组GT中的各个GT的运行状况。
第二方面包括一种具有程序代码的计算机程序产品，其在由至少一个计算装置执行时引起至少一个计算装置通过执行包括下者的动作来调节一组燃气轮机(GT)：基于该组GT中的各个GT的测得的环境状况命令各个GT至基本负载水平；命令该组GT中的各个GT调整相应功率输出(MW功率输出)来匹配等于相应功率输出与标称功率输出值之间的差的一部分的经换算的功率输出值，以及随后测量各个GT的实际排放值；以及基于相应的测得的实际排放值、在环境状况下的标称排放值之间的差和排放换算因子来调整该组GT中的各个GT的运行状况。
第三方面包括一种使用至少一个计算装置执行的调节一组燃气轮机(GT)的计算机实施的方法：该方法包括：基于该组GT中的各个GT的测得的环境状况命令各个GT至基本负载水平；命令该组GT中的各个GT调整相应功率输出(MW功率输出)来匹配等于相应功率输出与标称功率输出值之间的差的一部分的经换算的功率输出值，以及随后测量各个GT的实际排放值；以及基于相应的测得的实际排放值、在环境状况下的标称排放值之间的差和排放换算因子来调整该组GT中的各个GT的运行状况。
技术方案1. 一种系统，包括：
至少一个计算装置，其配置成通过执行包括下者的动作来调节一组燃气轮机(GT)：
基于所述组GT中的各个GT的测得的环境状况命令各个GT至基本负载水平；
命令所述组GT中的各个GT调整相应功率输出来匹配等于所述相应功率输出与标称功率输出值之间的差的一部分的经换算的功率输出值，且随后测量各个GT的实际排放值；以及
基于相应的测得的实际排放值、在所述环境状况下的标称排放值之间的差和排放换算因子来调整所述组GT中的各个GT的运行状况。
技术方案2. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述基本负载水平与针对所述测得的环境状况的功率输出值和排放值相关联，以及其中，使用功率换算因子而导出所述经换算的功率输出值。
技术方案3. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，响应于命令所述组GT中的各个GT至基本负载水平，各个GT并未达到所述标称功率输出值或所述标称排放值中的至少一者。
技术方案4. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述至少一个计算装置进一步配置成将各个GT的相应的测得的真实排放值与所述标称排放值之间的差转换成各个GT的相应功率输出值与在所述环境状况下的标称功率输出值之间的差。
技术方案5. 根据技术方案4所述的系统，其特征在于，调整各个GT的运行状况包括将所述组GT中的各个GT的运行状况调整所述相应功率输出值与所述标称功率输出值之间的差的一固定部分，使得各个GT的功率输出接近且然后达到相应的标称功率输出值。
技术方案6. 根据技术方案5所述的系统，其特征在于，将所述组GT中的各个GT的运行状况调整所述相应功率输出值与所述标称功率输出值之间的差的一固定部分会使各个GT排列在绘出功率输出-排放的图解空间中的正交于各个GT的标称功率输出/标称排放特性的线上。
技术方案7. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，命令所述组GT中的各个GT调整相应功率输出来匹配等于所述相应功率输出与所述标称功率输出值之间的差的一部分的经换算的功率输出值会使各个GT的实际排放值移动得更接近所述标称排放值，而不匹配所述标称排放值。
技术方案8. 一种包括程序代码的计算机程序产品，其在被至少一个计算装置执行时，引起所述至少一个计算装置通过执行包括下者的动作来调节一组燃气轮机(GT)：
基于所述组GT中的各个GT的测得的环境状况命令各个GT至基本负载水平；
命令所述组GT中的各个GT调整相应功率输出来匹配等于所述相应功率输出与标称功率输出值之间的差的一部分的经换算的功率输出值，且随后测量各个GT的实际排放值；以及
基于相应的测得的实际排放值、在所述环境状况下的标称排放值之间的差和排放换算因子来调整所述组GT中的各个GT的运行状况。
技术方案9. 根据技术方案8所述的计算机程序产品，其特征在于，所述基本负载水平与针对所述测得的环境状况的功率输出值和排放值相关联，以及其中，使用功率换算因子而导出所述经换算的功率输出值。
技术方案10. 根据技术方案8所述的计算机程序产品，其特征在于，响应于命令所述组GT中的各个GT至基本负载水平，各个GT并未达到所述标称功率输出值或所述标称排放值中的至少一者。
技术方案11. 根据技术方案8所述的计算机程序产品，其特征在于，所述计算机程序产品在被执行时引起所述至少一个计算装置将各个GT的相应的测得的真实排放值与所述标称排放值之间的差转换成各个GT的相应功率输出值与在所述环境状况下的标称功率输出值之间的差。
技术方案12. 根据技术方案11所述的计算机程序产品，其特征在于，调整各个GT的运行状况包括将所述组GT中的各个GT的运行状况调整所述相应功率输出值与所述标称功率输出值之间的差的一固定部分，使得各个GT的功率输出接近且然后达到相应的标称功率输出值。
技术方案13. 根据技术方案12所述的计算机程序产品，其特征在于，将所述组GT中的各个GT的运行状况调整所述相应功率输出值与所述标称功率输出值之间的差的一固定部分会使各个GT排列在绘出功率输出-排放的图解空间中的正交于各个GT的标称功率输出/标称排放特性的线上。
技术方案14. 根据技术方案8所述的计算机程序产品，其特征在于，命令所述组GT中的各个GT调整相应功率输出来匹配等于所述相应功率输出与所述标称功率输出值之间的差的一部分的经换算的功率输出值会使各个GT的实际排放值移动得更接近所述标称排放值，而不匹配所述标称排放值。
技术方案15. 一种使用至少一个计算装置执行的调节一组燃气轮机(GT)的计算机实施的方法，所述方法包括：
基于所述组GT中的各个GT的测得的环境状况命令各个GT至基本负载水平；
命令所述组GT中的各个GT调整相应功率输出来匹配等于所述相应功率输出与标称功率输出值之间的差的一部分的经换算的功率输出值，且随后测量各个GT的实际排放值；以及
基于相应的测得的实际排放值与在所述环境状况下的标称排放值之间的差调整所述组GT中的各个GT的运行状况。
技术方案16. 根据技术方案15所述的方法，其特征在于，所述基本负载水平与针对所述测得的环境状况的功率输出值和排放值相关联，以及其中，使用功率换算因子而导出所述经换算的功率输出值。
技术方案17. 根据技术方案16所述的方法，其特征在于，响应于命令所述组GT中的各个GT至基本负载水平，各个GT并未达到所述标称功率输出值或所述标称排放值中的至少一者。
技术方案18. 根据技术方案17所述的方法，其特征在于，所述方法还可包括将各个GT的相应的测得的真实排放值与所述标称排放值之间的差转换成各个GT的相应功率输出值与在所述环境状况下的标称功率输出值之间的差。
技术方案19. 根据技术方案18所述的方法，其特征在于，调整各个GT的运行状况包括将所述组GT中的各个GT的运行状况调整所述相应功率输出值与所述标称功率输出值之间的差的一固定部分，使得各个GT的功率输出接近且然后达到相应的标称功率输出值，
其中，将所述组GT中的各个GT的运行状况调整所述相应功率输出值与所述标称功率输出值之间的差的一固定部分会使各个GT排列在绘出功率输出-排放的图解空间中的正交于各个GT的标称功率输出/标称排放特性的线上。
技术方案20. 根据技术方案15所述的方法，其特征在于，命令所述组GT中的各个GT调整相应功率输出来匹配所述相应功率输出与所述标称功率输出值之间的差的一部分的经换算的功率输出值会使各个GT的实际排放值移动得更接近所述标称排放值，而不匹配所述标称排放值。
附图说明
本发明的这些及其它特征将从结合附图得到的本发明的各种方面的以下详细描述中更容易理解，附图绘出了本发明的各种实施例，在附图中：
图1示出了根据本发明的各种实施例的包括控制系统的燃气涡轮发动机(GT)的示意图。
图2示出了根据本发明的各种实施例的可结合图1的控制系统使用来控制GT的运行的控制架构的示意图。
图3示出了使用由图1的控制系统使用的GT的模型的图1中的统计上较大数目的GT发动机的运行状态的概率模拟的图解示图。
图4示出了示出根据本发明的各种实施例的方法的流程图。
图5在二维功率输出(MW)-排放(NOx)图中示出了图4中的流程图中所示的过程的图解示图。
图6在二维功率输出(MW)-排放(NOx)图中示出了图4中的流程图中所示的过程的图解示图。
图7在三维功率输出(MW)-排放(NOx)-喷燃温度(T4)图中示出了图4中的流程图中所示的过程的图解示图。
图8示出了根据本发明的各种实施例的包括控制系统的示范性环境。
将注意本发明的附图不一定按比例。附图旨在仅绘出本发明的典型方面，且因此不应认作是限制本发明的范围。在附图中，相似的标号表示附图之间的相似元件。
部件列表：
10燃气涡轮发动机GT
12压缩机
14燃烧器
16涡轮
18控制系统
20导管
21入口导叶IGV
22排气导管
24发电机
26控制传感器
27促动器
28燃料控制系统
29涡轮控制促动器
48输入运行参数
50标称喷燃温度
52喷燃温度
54校正因子
56基于模型的控制MBC模块
58ARES模块
60运行参数
62排气温度
64喷燃温度
66喷燃温度
68输入排气温度校正参数
70比较器
74比较器
122处理构件
124储存构件
126输入/输出I/O构件
128通路
132模块
136用户
138CS
200控制架构
300线
302线
304线
306线
308数据点
802环境
814计算装置
836用户。
具体实施方式
如上文所述，本文公开的主题涉及调节和控制系统。更具体而言，本文公开的主题涉及用于燃气轮机的调节和控制系统。
概率控制是用于基于测量的输出(兆瓦，MW)和单氮氧化物NO和NO2(一氧化氮和二氧化氮)(共同称为NOx排放)设置燃气轮机(GT)的运行状态的方法。如本文所述，各种实施例提供了其中存在测量误差的GT的调节和控制。存在常规方法来计算和调节其中存在测量误差的控制机构，但没有常规方法设计成特别鉴于功率输出和NOx测量来解决和调节GT控制函数。
如本文使用的用语P50 GT或P50机器是指机组中的平均(或标称)的燃气轮机或类似机器。与该P50相关联的参数认为是理想的，且很少(如果有)在实际的燃气轮机中达到。本文使用的其它用语可包括：a)喷燃温度(T4)，其为第一级喷嘴下游但在涡轮(例如，GT)中的第一旋转轮叶上游的平均温度；以及b)T3.9，其为燃气轮机中的燃烧温度，且高于喷燃温度。如本领域中已知的那样，喷燃温度不可测量，而是从其它测量结果和已知参数推断。如本文使用的用语"指示的喷燃温度"是指由控制设备的一个或多个构件指示的喷燃温度，例如，监测和/或控制GT构件的控制系统。"指示"的喷燃温度代表根据与GT控制系统连接的常规感测/测试设备对喷燃温度的最佳估计。
此外，如本文所述，用于特定燃气轮机的用语"基本负载"可表示在额定喷燃温度下的燃气轮机的最大输出。此外，如本文所述和在本领域中已知那样，给定燃气轮机的基本负载将基于环境运行状况的变化改变。有时，基本负载在本领域中称为"全速满载"。此外，将理解的是，NOx对燃料成分敏感，且因此，其在燃气轮机中进行的任何调节过程(包括本文所述的调节过程)中解决。
此外，如本文使用的用语"排气能量"是指流出GT的排气内含有的能量，其可基于GT的排气区段(出口)处的排气的温度测量和压力测量来确定。该排气能量与流过GT的燃烧气体量直接相关，且可与其它运行参数(例如，功率输出)关联。
本文所述的各种实施例允许使用GT的功率输出和排放参数的GT(例如，两个或多个GT的机组)的概率控制。根据各种实施例，一种方法可包括以下过程：
1)基于测得的环境状况命令一个或多个燃气轮机(例如，机组中)至设计的基本负载(MW值、NOx值、燃料流量值、排气能量值)。如本文使用那样，在理想情形中，在理想方案中，GT应当收敛至P50(标称)运行参数，包括P50功率输出(标称功率输出)值和P50 NOx(排放)值。然而，如本文使用那样，这并未在现实世界运行中发生；
2)命令一个或多个GT调整其功率输出(MW)来匹配等于相应功率输出(MW)与标称功率输出(P50功率输出)值之间的差的一部分的经换算的功率输出值，且测量实际NOx值。可使用功率换算因子而导出经换算的功率输出值，该功率换算因子可为大于零且小于或等于一(1)的数字。即，在各个GT功率输出与标称功率输出相差一定值(例如，xMW)的情况下，该过程包括命令各个GT调整其功率输出来匹配等于GT功率输出与标称输出之间的差的一部分(例如，0.7x)的值。如本文提到那样，该过程可能有助于使各个GT实际NOx值更接近P50 NOx值，但在此目标中并未完全成功。此外，该功率输出调整并未解决另一个问题，其为相对于其期望水平升高的喷燃温度；以及
3)基于测得的实际NOx值(过程2)、针对环境状况的预期P50 NOx值之间的差(ΔNOx)和排放换算因子(例如，在零到小于或等于一(1)之间的值，与功率换算因子相似或不同)来调整各个GT的运行状况。ΔNOx值可使用常规方法转化成各个GT的Δ功率输出(MW)值(表示GT的实际功率输出与P50功率输出水平下的功率输出之间的差)。在此过程中，从P50功率输出值导出的各个GT使其运行状况调整Δ功率输出值(如从ΔNOx值转换)的由排放换算因子调整的一固定部分，使得其接近(且达到或大致达到)该GT的Δ功率输出(MW)值。该调整将使各个GT移动到功率输出/NOx空间中的接近正交于该GT的P50 功率输出/P50 NOx特性的线。上述总体过程在本文中进一步详细描述。
在以下描述中，将参照附图，附图形成其一部分，且其中，通过图示示出了可实施本技术的特定示例性实施例。足够详细描述了这些实施例，以允许本领域的技术人员实施本教导内容，且将理解，可使用其它实施例，且可制作出变化而不脱离本教导内容的范围。因此，以下描述仅为示范性的。
图1示出了根据各种实施例的包括控制系统18的燃气涡轮发动机(GT)10的示意图。在各种实施例中，燃气涡轮发动机10包括压缩机12、燃烧器14、传动地联接到压缩机12上的涡轮16，以及计算机控制系统或控制器18。压缩机12的入口导管20将环境空气且在一些情况中将喷射的水导送至压缩机12。导管20可包括增加流过入口导管20且流入压缩机12的入口导叶(IGV)21中的环境空气的压力损失的导管、过滤器、筛或吸音装置。来自燃气涡轮发动机10的燃烧气体引导穿过排气导管22。排气导管22可包括吸音材料和排放控制装置，其引起燃气涡轮发动机10的背压。入口压力损失和背压的量可由于构件加入入口导管20和排气导管22和/或由于灰尘或污垢分别堵塞入口导叶20和排气导管22而随着时间变化。在各种实施例中，燃气涡轮发动机10驱动发电机24，发电机24产生电功率。
描述了测量、分析和/或控制例如机组中的一组GT的各种实施例，该组GT可包括一个或多个燃气涡轮发动机(GT)。将理解的是，这些方法与两个或多个GT类似地适用于单个GT。还将理解的是，如本文使用的用语"组"可意味着1个或多个。
在各种实施例中，多个控制传感器26在燃气涡轮发动机10的运行期间检测燃气涡轮发动机10的各种运行状况、发电机24和/或周围环境。在许多情况中，多个冗余控制传感器26可测量一些运行状况。例如，成组的冗余温度控制传感器26可监测环境温度、压缩机排放温度、涡轮排气温度和/或穿过燃气涡轮发动机10的气流(未示出)的其它运行温度。类似地，成组的其它冗余压力控制传感器26可监测环境压力、压缩机12处的静态和动态压力水平、涡轮16排气，和/或燃气涡轮发动机10中的其它参数。控制传感器26可包括而不限于流量传感器、压力传感器、速度传感器、火焰探测器传感器、阀位置传感器、导叶角传感器和/或可用于感测燃气涡轮发动机10的运行期间的各种运行参数的任何其它装置。
如本文使用的用语"参数"是指可用于限定燃气涡轮发动机10的运行状况的特征，如，在燃气涡轮发动机10内的限定位置处的温度、压力和/或气流量。一些参数被测量(即，感测)且直接已知，而其它参数通过模型计算，且因此估计和间接已知。一些参数可首先由用户输入到控制器18中。测得的、估计的或用户输入的参数代表燃气涡轮发动机10的给定运行状态。
燃料控制系统28调节从燃料供应源(未示出)到燃烧器14的燃料流量、主燃料喷嘴与辅助燃料喷嘴(未示出)之间的分流的量，以及与流入燃烧器14中的辅助空气混合的量。燃料控制系统28还可选择燃烧器14中使用的燃料的类型。燃料控制系统28可为单独的单元，或可为控制器18的构件。
控制器(控制系统18)可为计算机系统，其包括至少一个处理器(未示出)和至少一个存储器装置(未示出)，其执行操作来至少部分地基于控制传感器26输入和来自人类操作员的指令控制燃气涡轮发动机10的运行。例如，控制器可包括燃气涡轮发动机10的模型。由控制器18执行的操作可包括感测或模拟运行参数、模拟运行边界、应用运行边界模型，或应用调度算法，该算法控制燃气涡轮发动机10的运行，如，通过调节至燃烧器14的燃料流量。控制器18将燃气涡轮发动机10的运行参数与运行边界模型或由燃气涡轮发动机10使用的调度算法相比较，以生成控制输出，如而不限于喷燃温度。由控制器18生成的命令可引起燃气涡轮发动机10上的燃料促动器27有选择地调节燃料流量、燃料分流和/或在燃料供应源与燃烧器14之间导送的燃料的类型。可生成其它命令以引起促动器29调整IGV21的相对位置、调整入口放出热，或触动燃气涡轮发动机10上的其它控制设置。
运行参数大体上指示了燃气涡轮发动机10的运行状况，如，燃气涡轮发动机10的限定位置处和给定运行状态下的温度、压力和气流量。一些运行参数被监测(即，感测)且直接已知，而其它运行参数由模型估计且间接已知。估计或模拟的运行参数也可称为估计的运行参数，且例如可包括而不限于喷燃温度和/或排气温度。运行边界模型可由燃气涡轮发动机10的一个或多个物理边界限定，且因此可代表各个边界处的燃气涡轮发动机10的最佳状况。此外，运行边界模型可独立于任何其它边界或运行状况。调度算法可用于确定涡轮控制促动器27,29的设置，以引起燃气涡轮发动机10在预定极限内运行。通常，调度算法防止最坏情况的方案，且基于某些运行状态具有嵌入的假设。边界控制为控制器如控制器18通过其能够调整涡轮控制促动器27,29以引起燃气涡轮发动机10在优选状态下运行的过程。
图2示出了示例性控制架构200的示意图，控制架构200可结合控制器18(图1中所示)使用来控制燃气涡轮发动机10(图1中所示)的运行。更具体而言，在各种实施例中，控制架构200在控制器18中实施，且包括基于模型的控制(MBC)模块56。MBC模块56为燃气涡轮发动机10的稳健的高保真度的基于物理特性的模型。MBC模块56接收测得的状况作为输入运行参数48。此参数48可包括而不限于环境压力和温度、燃料流量和温度、入口放出热和/或发电机功率损失。MBC模块56将输入运行参数48应用于燃气轮机模型，以确定标称喷燃温度50(或标称运行状态428)。MBC模块56可在允许控制架构200和燃气涡轮发动机10如本文所述的那样运行的任何平台中实施。
此外，在各种实施例中，控制架构200包括自适应实时发动机模拟(ARES)模块58，其估计燃气涡轮发动机10的某些运行参数。例如，在一个实施例中，ARES模块58估计不直接感测的运行参数，如，用于控制算法中的控制传感器26生成的那些。ARES模块58还估计测量的运行参数，使得可比较估计和测得的状况。比较用于自动地调节ARES模块58，而不中断燃气涡轮发动机10的运行。
ARES模块58接收输入运行参数48，如，但不限于，环境压力和温度、比较器入口导叶位置、燃料流量、入口放出热流量、发电机功率损失、入口和排气导管压力损失，和/或压缩机入口温度。ARES模块58然后生成估计的运行参数60，如但不限于排气温度62、压缩机排放压力和/或压缩机排放温度。在各种实施例中，ARES模块58使用估计的运行参数60以及输入运行参数48来作为燃气轮机模型地输入，以生成输出，例如，如，计算的喷燃温度64。
在各种实施例中，控制器18接收计算的喷燃温度52作为输入。控制器18使用比较器70来将计算的喷燃温度52与标称喷燃温度50相比较，以生成校正因子54。校正因子54用于调整MBC模块56中的标称喷燃温度50以生成校正的喷燃温度66。控制器18使用比较器74来比较来自ARES模块58的控制输出和来自MBC模块56的控制输出，以生成不同的值。该不同值然后输入卡尔曼滤波器增益矩阵(未示出)中，以生成标准化的校正因子，其供应至控制器18来用于连续地调节ARES模块58的控制模型，因此便于燃气涡轮发动机10的加强控制。在备选实施例中，控制器18接收排气温度校正因子68作为输入。排气温度校正因子68可用于调整ARES模块58中的排气温度62。
图3为示出图1的燃气涡轮发动机的统计上较大数目的运行状态的概率模拟的图表，其使用由控制器18使用的燃气涡轮发动机10的模型。图表代表燃气涡轮发动机10的功率输出-喷燃温度。线300为多个数据点308的线性回归模型。线302代表对应于数据点308的99%预测区间。此外，线304代表燃气涡轮发动机10的标称或设计喷燃温度50，且线306代表燃气涡轮发动机10的标称或设计功率输出。在各种实施例中，图3中所示的概率模拟示出了80个单元的喷燃温度的近似差异。该差异可归因于燃气涡轮发动机10的工件公差，以及控制器18和控制传感器26的测量不确定性。
本文描述了用于调节燃气涡轮发动机10的方法，其便于减小真实燃气涡轮发动机10运行状态中的差异，例如，喷燃温度和/或排气温度，其便于减小燃气涡轮发动机10的功率输出、排放和寿命的差异。本文所述的概率控制方法可实施为安装期间和各种周期中调节燃气涡轮发动机10的单独过程，或可在控制器18内实施来在燃气涡轮发动机10的运行期间以预定间隔定期地和/或连续地运行。如前文所述，这些方法并未直接地测量燃气轮机喷燃温度，因为喷燃温度为估计的参数。然而，这些概率控制方法可直接地产生测得的参数，其为燃气涡轮发动机10的喷燃温度的较强指示物，且允许改善对燃气涡轮发动机10中的喷燃温度的控制。
图4示出了示出根据各种实施例执行的方法的流程图。如本文所述，该方法可使用至少一个计算装置执行(进行)，实施为计算机程序产品(例如，非暂时性计算机程序产品)，或另外包括下者过程：
过程P1：基于所述组GT中的各个GT10的测得的环境状况命令各个GT10至基本负载水平(例如，目标指示的喷燃温度)。如本文所述，基本负载(具有目标指示的喷燃温度)与测得的环境状况下的功率输出(MW)值和排放值相关联。如本文进一步所述，响应于命令所述组GT中的各个GT10至基本负载水平，各个GT10并未达到标称功率输出值(P50功率输出)或标称排放值(P50 NOx)中的至少一者。根据各种实施例，命令所述组GT中的各个GT10调整相应功率输出来匹配标称功率输出值的过程使各个GT10的真实排放值更接近标称排放值，而不匹配标称排放值；
过程P2：命令一组GT中的各个GT10调整相应功率输出来匹配等于相应功率输出与标称功率输出(P50功率输出)值之间的差的一部分的经换算的功率输出值，且随后测量各个GT10的实际排放值。可使用功率换算因子而导出经换算的功率输出值，该功率换算因子可为大于零且小于一(1)的数字。即，在各个GT功率输出与标称功率输出相差一定值(例如，xMW)的情况下，该过程包括命令各个GT调整其功率输出来匹配等于GT功率输出与标称输出之间的差的一部分(例如，0.6x或0.7x)的值。功率换算因子(SMW)可使用一个或多个模拟过程来产生，以预计GT10的机组在不同的MW/NOx状况下将如何运行。在各种实施例中，可在多种状况下使用特定GT10的迭代的测试和/或模拟来导出功率换算因子。在一些情况下，基于GT10的机组期望的标准偏差来选择功率换算因子(SMW)，例如，基于一个或多个模型，功率换算因子指示GT10将保持在标称GT的一定标准偏差带内。在各种实施例中，过程P2还可包括将相应的测得的真实排放值与各个GT10的标称排放值之间的差转换成各个GT10的相应功率输出值与在环境状况下的标称功率输出值之间的差；以及
过程P3：基于相应的测得的实际排放值、在环境状况下的标称排放值之间的差和排放换算因子(例如，零到一(1)，与功率换算因子相似或不同)调整一组GT中的各个GT10的运行状况。根据各种实施例，调整各个GT10的运行状况的过程包括将一组GT中的各个GT10的运行状况调整相应功率输出值与标称功率输出值之间的差的由排放换算因子调整的一固定部分，使得各个GT10的功率输出接近(在一些情况中达到或大致达到)相应的标称功率输出值。根据各种实施例，将一组GT中的各个GT的运行状况调整相应功率输出值与标称功率输出值之间的差的由排放换算因子(例如，0.7、0.8、0.9)调整的一固定部分会将各个GT10排列在绘出功率输出-排放的图解空间中的正交于各个GT10的标称功率输出/标称排放特性的线上。
图5-7关于代表所述组(多个)GT(类似于GT10)的示例性数据组经由功率输出-排放(NOx)图表示出了图4中所述的过程的图解示图。图5-6中所示的所有数据点代表指定喷燃温度下的功率输出-排放(NOx)，其中，"指示的"喷燃温度为由GT10的控制器显示或其它方式输出的喷燃温度。即，"指示的"喷燃温度不一定是实际喷燃温度(如本文所述，其不可准确地测量)，而是改为如由GT10的控制器(和相关设备)估计的喷燃温度。
如该实例中所示，例如，在图5中，线GL的中心点为所述组GT的平均喷燃温度(T4)的函数。平均燃烧温度(T3.9)为平均喷燃温度的函数，且大于平均喷燃温度。这里注意，随着平均喷燃温度升高，平均燃烧温度也将如此，意味着线GL将转移至较大的功率输出/NOx值，同时保持正交于限定了基本负载下的平均GT的功率输出/NOx特性的线RL。标为BL的两条线界定线GL，且将所述组GT之间的统计差异从平均线RL限定于两个∑。发明人发现，通过经验测试，线BL代表真实喷燃温度(T4)相对于线RL的＋/-10度的跨度，这沿正交于线RL的给定线测得。图6示出了图5的图解示图，其中，沿正交于RL(功率输出/NOx特性)和线BL的线添加了GT机组的不同示例性功率输出/NOx值下的平均值T4(喷燃温度)的指示物。在该实例中，平均值T4(B)和平均值T4(P)分别示出了T4=2410华氏度和T4=2430华氏度下的机组。图6也示出了线PL，其为沿正交于功率输出/NOx特性线的喷燃温度(T4)"扫掠"或差异的单个GT的实例。PL示出了功率输出/NOx如何由于变化的喷燃温度(T4)而改变。
图7示出了过程P3(图3)的三维图解示图，即，基于相应的测得的实际排放值与环境状况下的标称排放值之间的差调整所述组GT中的各个GT的运行状况。即，如图7中所示，由穿过喷燃温度(T4)空间(根据应用的排放换算因子来测量)的GL(图5-6)的平面限定的GL平面示出了所述组GT在喷燃温度(T4)空间中运行的模型。即，尽管实际喷燃温度(T4)不可针对所述组GT中的各个GT直接地测量，但GL平面代表所述组GT内的GT的喷燃温度的更准确的模型。根据各种实施例，过程P3包括在一定排放换算因子下基于相应GT的相应的测得的真实排放值(NOx值)与标称(平均)排放值(NOx值)之间的差来调整各个GT的运行状况。即，根据各种实施例，各个GT的运行状况调整成使得其功率输出/NOx值与二维空间(图5-6)中的GL和三维空间(图7)中的GL平面相交。标称(P50)功率输出/NOx线和GL平面的相交部代表期望的平均实际喷燃温度(P4)的最准确的模型，且通过将各个GT10调节至接近该GL平面，机组中的喷燃温度差异减小，从而延长了机组寿命。
GL(和GL平面)为燃气轮机如何设计和构成的特征，且在功率输出/NOx空间中，其中心在机组中的特定类型的GT10的P50功率输出和P50NOx的相交部处。二维空间(例如，BL之间的空间，图5-6)中的GL的长度由给定类型的GT的在不同GT之间的硬件差异限定(例如，相同规格的两个机器的制造中的物理特性差异)。通过改变GT10的运行状况以便使该GT10的功率输出/NOx值与GL(和GL平面)对准，真实喷燃温度(T4)的差异被最小化。
根据各种实施例，图5-7中所示的图解示图可从方程1-4中导出，方程1-4提供了GT10的运行状态的变化(ΔOperatingState)和实际喷燃温度的变化(ΔT4)的解决方案。如图所示，方程1-4如下：
其中，Step 1=过程P1；Step 2=过程P2；Step 3=过程P3；变量1=可从GT10上的外部传感器测得的第一性能变量(例如，兆瓦输出)；变量2=从GT10上的外部传感器测得的第二(不同于变量1，但不是独立的)性能变量(例如，排放)(例如，排气温度、排气流量等)；SV1=变量1的换算因子(例如，MW换算因子)；SV2=变量2的换算因子(例如，NOx换算因子)。如以下表1中所示，示例性换算因子可根据各种实施例来选择来操纵实际喷燃温度、排放、兆瓦输出等。如本文所述，用语"步骤1"、"步骤2"和"步骤3"可用于分别表示过程P1,P2和P3。
表1-换算因子的效果(步骤或过程P1/S1; P2/S2; P3/S3)
如表1中的示例性换算因子中显现的那样，对于MW(步骤2或过程P2)和NOx(步骤3或过程P3)的换算因子可根据基于实验和/或模型的数据来选择，以加强特定GT10或GT10机组的期望结果。例如，在目标在于最小化MW或NOx的差异的情况下，换算因子可选择成使得选择"min MW"或"NOx min"的相交部。从"min MW"框向右移动(增大NOx换算因子)以MW和燃料的差异来换取NOx和T4的差异。标为"平衡的差异"的带代表四维MW/NOx/T4/燃料空间(图7)中的最小区域。对于一个GT10，在(X+2CY)的NOx换算因子下存在最小T4差异。此最小值出现的值为GT的燃烧器(例如，干式低NOx燃烧器)的NOx-T4特性的函数。在应用两个换算因子(MW换算因子和NOx换算因子)的情况下，(Y-Z)的MW换算因子提供了可大致等同于前文公开(未经换算)的方法的差异。然而，如该示例性表中可见，作为MW换算因子的Y+X和作为NOx换算因子的(X+3CY)的组合提供了GT10的机组T4的最小差异。
图8示出了示出展示经由至少一个计算装置814与GT10联接的控制器(控制系统18)的示范性环境802。如本文所述，控制系统18可包括用于控制燃气涡轮发动机(GT)的任何常规的控制系统构件。例如，控制系统18可包括用于促动GT10中的一个或多个构件的电气和/或机电构件。控制系统18可包括常规的计算机化的子构件，如，处理器、存储器、输入/输出、总线等。控制系统18可构造成(例如，编程为)基于来自外源(例如，至少一个计算装置814)的运行状况执行功能，且/或可包括基于GT10的参数的预先编程(编码)的指令。
系统802还可包括与控制系统18和GT10连接(例如，硬接线和/或无线)的至少一个计算装置814。在各种实施例中，如本文所述，计算装置814例如经由多个常规传感器如流量计、温度传感器等与GT10可操作地连接。计算装置814可例如经由常规硬接线和/或无线手段与控制系统18通信地连接。控制系统18配置成根据各种实施例监测运行期间的GT10。
此外，计算装置814示为与用户836通信。例如，用户836可为程序员或操作员。这些构件与计算装置814之间的交互在本说明书的别处论述。
如本文提到那样，如本文所述，本文所述的一个或多个过程可例如通过至少一个计算装置如计算装置814执行。在其它情况下，一个或多个这些过程可根据计算机实施的方法来执行。在又一些实施例中，这些过程中的一个或多个可通过在至少一个计算装置(例如，计算装置814)上执行计算机程序代码(例如，控制系统18)来执行，以引起至少一个计算装置执行过程，例如，根据本文所述的方法调节至少一个GT10。
更详细而言，计算装置814示为包括处理构件122(例如，一个或多个处理器)、储存构件124(例如，储存体系)、输入/输出(I/O)构件126(例如，一个或多个I/O接口和/或装置)，以及通信通路128。在一个实施例中，处理构件122执行程序代码如控制系统18，其至少部分地体现在储存构件124中。在执行程序代码时，处理构件122可处理数据，其可导致从储存构件124和/或I/O构件126读取数据和/或对其写入数据，以用于进一步处理。通路128提供了计算装置814中的各个构件之间的通信链路。I/O构件126可包括一个或多个人类I/O装置或储存装置，其允许用户836与计算装置814和/或一个或多个通信装置交互，以允许用户136和/或CS138使用任何类型的通信链路与计算装置814通信。为此，控制系统18可管理允许人类和/或系统与控制系统18交互的一组接口(例如，图解用户界面、应用程序界面和/或类似的)。
在任何情况下，计算装置814可包括能够执行安装在其上的程序代码的一个或多个通用计算制品(例如，计算装置)。如本文使用的那样，将理解的是，"程序代码"意味着以任何语言、代码或符号编写的指令的任何集合，其引起具有信息处理能力的计算装置直接地或在以下任何组合之后执行特定功能：(a)转换成另一种语言、代码或符号；(b)以不同材料形式再现；和/或(c)解压。为此，控制系统18可体现为系统软件和/或应用软件的任何组合。在任何情况下，计算装置814的技术效果都在于根据本文的各种实施例调节至少一个GT10。
此外，控制系统可使用一组模块132来实施。在此情况下，模块132可允许计算装置814执行由控制系统18使用的一组任务，且可与控制系统18的其它部分分开开发和/或实施。控制系统18可包括模块132，其包括特定用途的机器/硬件和/或软件。无论如何，将理解的是，两个或更多个模块和/或系统可共用一些/或所有其相应的硬件和/或软件。此外，将理解的是，本文所述的一些功能可不实施，或附加的功能可包括为计算装置814的一部分。
当计算装置814包括多个计算装置时，各个计算装置均可仅使控制系统18的一部分(例如，一个或多个模块132)体现在其上。然而，将理解的是，计算装置814和控制系统18仅代表可执行本文所述的过程的各种可能的等同计算机系统。为此，在其它实施例中，由计算装置814和控制系统18提供的功能可至少部分由一个或多个计算装置实施，计算装置包括具有或没有程序代码的通用和/或专用硬件的组合。在各个实施例中，硬件和程序代码(如果包括)可分别使用标准工程和编程技术来创建。
无论如何，当计算装置814包括多个计算装置时，计算装置可在任何类型的通信链路上的通信。此外，当执行本文所上的过程时，计算装置814可使用任何类型的通信链路与一个或多个其它计算机系统通信。在任一情况中，通信链路可包括各种类型的有线和/或无线链路的组合；包括一个或多个类型的网络的任何组合；和/或使用构造中类型的传输技术和协议的任何组合。
如本文所述，控制系统18允许计算装置814控制和/或调节至少一个GT10。控制系统18可包括用于执行本文所述的一个或多个动作的逻辑。在一个实施例中，控制系统18可包括执行上述功能的逻辑。在结构上，逻辑可采用多种形式中的任一种，如，现场可编程门阵列(FPGA)、微处理器、数字信号处理器、专用集成电路(ASIC)或能够执行本文所述的功能的任何其它专用机器结构。逻辑可采用多种形式中的任一种，如，软件和/或硬件。然而，对于示范性目的，控制系统18和包括在其中的逻辑将在本文中描述为专用机器。如将从描述中清楚那样，尽管逻辑示为包括各个上述功能，但根据如所附权利要求中叙述的本发明的教导内容，并非所有功能都是必须的。
在各种实施例中，控制系统18可配置成监测如本文所述的一个或多个GT10的运行参数。此外，控制系统18配置成命令一个或多个GT10来改变那些运行参数，以便实现如本文所述的控制和/或调节功能。
将理解的是，本文所示和所述的流程图中，可执行其它过程，虽然未示出，且过程的顺序可根据各种实施例重新布置。此外，中间过程可在一个或多个期望过程之间执行。本文所示和所述的过程流不看作是限制各种实施例。
在任何情况下，本发明的各种实施例(包括例如控制系统)的技术效果为将控制和/或调节如本文所述的一个或多个GT10。
在各种实施例中，描述为"联接"到彼此上的构件可沿一个或多个接口连结。在一些实施例中，这些接口可包括不同构件之间的接合处，且在其它实施例中，这些接口可包括牢固且/或整体地形成的互连件。即，在一些情况中，"联接"到彼此上的构件可同时形成，以限定单个连续部件。然而，在其它实施例中，这些联接的构件可形成为单独的部件，且随后可经由已知的过程(例如，紧固超声波焊接、粘结)来连结。
当元件或层称为在另一元件或层"上"、与另一元件或层"接合"、"连接"或"联接"时，其可为直接在另一元件或层上，与另一元件或层直接接合、连接或联接，或可存在居间的元件或层。相比之下，当元件称为"直接在另一个元件或层上"、"直接地与另一个元件或层接合"、"直接地连接到另一个元件或层上"或"直接地联接到另一个元件或层上"时，可能没有居间的元件或层存在。用于描述元件之间的关系的其它词语应当以类似的方式阐释(例如，"之间"与"直接在之间"、"相邻"与"直接相邻"等)。如本文使用的用语"和/或"包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。
本文所述的用语用于仅描述特定实施例的目地，且不旨在限制本公开内容。如本文使用的单数形式"一"、"一种"和"该"旨在也包括复数形式，除非向下文清楚地另外指示。还将理解的是，用语"包括"和/或"包含"在用于此说明书中时表示指示的特征、整数、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但并未排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、构件和/或其组合。
本书面描述使用了实例来公开本发明，包括最佳模式，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，以及执行任何并入的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它实例。如果此类其它实施例具有并非不同于权利要求的书面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求的书面语言无实质差别的等同结构元件，则期望此类其它实例在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种系统，包括：
至少一个计算装置(814)，其配置成通过执行包括下者的动作来调节一组燃气轮机(GT)(10)：
基于所述组GT(10)中的各个GT(10)的测得的环境状况命令各个GT(10)至基本负载水平；
命令所述组GT(10)中的各个GT(10)调整相应功率输出来匹配等于所述相应功率输出与标称功率输出值之间的差的一部分的经换算的功率输出值，且随后测量各个GT(10)的实际排放值；以及
基于相应的测得的实际排放值、在所述环境状况下的标称排放值之间的差和排放换算因子来调整所述组GT(10)中的各个GT(10)的运行状况。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述基本负载水平与针对所述测得的环境状况的功率输出值和排放值相关联，以及其中，使用功率换算因子而导出所述经换算的功率输出值。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，响应于命令所述组GT(10)中的各个GT(10)至基本负载水平，各个GT(10)并未达到所述标称功率输出值或所述标称排放值中的至少一者。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个计算装置(814)进一步配置成将各个GT(10)的相应的测得的真实排放值与所述标称排放值之间的差转换成各个GT(10)的相应功率输出值与在所述环境状况下的标称功率输出值之间的差。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，调整各个GT(10)的运行状况包括将所述组GT(10)中的各个GT(10)的运行状况调整所述相应功率输出值与所述标称功率输出值之间的差的一固定部分，使得各个GT(10)的功率输出接近且然后达到相应的标称功率输出值。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，将所述组GT(10)中的各个GT(10)的运行状况调整所述相应功率输出值与所述标称功率输出值之间的差的一固定部分会使各个GT(10)排列在绘出功率输出-排放的图解空间中的正交于各个GT(10)的标称功率输出/标称排放特性的线上。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，命令所述组GT(10)中的各个GT(10)调整相应功率输出来匹配等于所述相应功率输出与所述标称功率输出值之间的差的一部分的经换算的功率输出值会使各个GT(10)的实际排放值移动得更接近所述标称排放值，而不匹配所述标称排放值。
8.一种使用至少一个计算装置(814)执行的调节一组燃气轮机(GT)(10)的计算机实施的方法，所述方法包括：
基于所述组GT(10)中的各个GT(10)的测得的环境状况命令各个GT(10)至基本负载水平；
命令所述组GT(10)中的各个GT(10)调整相应功率输出来匹配等于所述相应功率输出与标称功率输出值之间的差的一部分的经换算的功率输出值，且随后测量各个GT(10)的实际排放值；以及
基于相应的测得的实际排放值与在所述环境状况下的标称排放值之间的差调整所述组GT(10)中的各个GT(10)的运行状况。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述基本负载水平与针对所述测得的环境状况的功率输出值和排放值相关联，以及其中，使用功率换算因子而导出所述经换算的功率输出值。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，响应于命令所述组GT(10)中的各个GT(10)至基本负载水平，各个GT(10)并未达到所述标称功率输出值或所述标称排放值中的至少一者。
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