CN107771243A

CN107771243A - 包括内插工作曲线偏差的燃气轮机的运行

Info

Publication number: CN107771243A
Application number: CN201680032701.0A
Authority: CN
Inventors: K·豪斯曼; C·塞勒; D·瓦尔
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2015-06-03
Filing date: 2016-04-20
Publication date: 2018-03-06
Anticipated expiration: 2036-04-20
Also published as: EP3280894B1; US20180156127A1; WO2016192890A1; EP3101250A1; EP3280894A1; CN107771243B; US10371058B2

Abstract

本发明涉及一种用于在部分负载运行期间运行燃气轮机(1)的运行方法，该方法包括以下步骤：预设在预定温度值(T0)处的功率设定值(LS)；确定所述燃气轮机(1)的、温度(T)相关于功率(L)的两条工作曲线(FL)，其中功率设定值(LS)被布置在工作曲线(FL)之间；确定在基本恒定的预定温度值(T0)处两条工作曲线(FL)的功率差(LU)；确定在基本恒定的预定温度值(T0)处所预设的功率设定值(LS)与两条工作曲线(FL)中的一条工作曲线的功率偏差(LA)；基于功率差(LU)和功率偏差(LA)来计算内插工作曲线偏差(IFA)，其中温度(T)是涡轮机出口温度(ATK)或以计算方式确定的涡轮机入口温度。

Description

包括内插工作曲线偏差的燃气轮机的运行

技术领域

本发明涉及一种用于在部分负载运行期间运行燃气轮机的方法。在这种部分负载运行期间，燃气轮机通常遵循以合适控制参数预编程的控制系统，所述控制参数例如也可以作为更大运行范围上的工作曲线而被提供。因此，例如在所谓的功率运行期间，也就是说，在燃气轮机的输出功率被设定为控制参数的运行期间，可以在控制系统中预先确定运行曲线的集合，其中预定的温度值与燃气轮机的选定功率值相关联。该温度值对应于与用于确定燃气轮机的功率相关的温度值，其中该温度值例如可以是涡轮机入口温度或涡轮机出口温度。相关的工作曲线在功率运行期间被用作参考值，借助于该参考值可以建立期望的功率值。换句话说，这些工作曲线被用作控制设定值的集合，燃气轮机控制系统将功率值调节至所述控制设定值的集合。

背景技术

然而，除了这样的温度值之外，这些工作曲线例如还可以包括：关于可变压气机导向挡板(压气机导向静叶)的位置的运行参数、以及其他运行参数，这些其他运行参数例如是喷射到燃气轮机中的水的量、或者燃气轮机中各个燃烧器或燃烧器级的燃料量分配，以适当地调节燃气轮机的功率。

工作曲线通常在燃气轮机中针对多样化的运行行为而被单独建立，并且被存储在燃气轮机的控制系统中。在这种情况下，工作曲线被确定以使得在工作曲线的每个点处均可以实现燃气轮机的稳定运行。具体而言，燃气涡轮机不同燃烧器的具体燃料分配作为运行参数而存储在各条工作曲线中，并且通常在工作曲线内部不会改变或仅轻微改变。如果当前燃气轮机的运行将沿着预定的第一工作曲线改变为根据第二工作曲线来执行，则需要在这些工作曲线之间改变，其中第二工作曲线偏离第一工作曲线。如果两条相关的工作曲线相对比较靠近，则可以在第一工作曲线与第二工作曲线之间进行直接转换，而无需考虑燃气轮机运行中的不稳定性。但是，如果两条工作曲线相距较远，则这种改变导致燃气轮机可能转换到不稳定的运行范围，在最差的情况下，这甚至会导致燃气轮机的紧急停机。

虽然在现有技术(例如在EP 2 071 157A1)中，确实描述了这种工作曲线之间的改变，但是该现有技术未能充分考虑在各条工作曲线之间改变期间的不稳定运行模式的问题。因此，例如EP 2 071 157A1教导了各条工作曲线之间的任意改变，但没有指出由于可适用于新工作曲线的新运行参数而可能导致不稳定的运行。

特别地，由于燃气轮机的各个燃烧器或燃烧器级在两条工作曲线之间的不同燃料分配，所以在两条工作曲线之间的改变期间，可能在燃烧室中发生相对突变，这使得燃气轮机运行至少暂时变得不稳定。尽管在沿着工作曲线的运行期间，通常通过适当控制燃气轮机而基本稳定地保持在工作点上，但是这种控制大部分只是为了补偿较小的偏差而设计的。关于这一点，沿着工作曲线的少量偏差在大多数情况下的表现没有问题。然而，在跨多条工作曲线运行时产生的偏差有时不能被燃气轮机控制系统无干扰地消除。

DE102006008483A1教导了与此有关的另一种方法，根据该方法，基于燃气轮机的燃料气体比(例如，先导比、缸容积比和主比)来确定燃料流量控制阀的阀位置的命令值。在这种情况下，例如也可以有针对性地通过线性内插，来计算入口导向静叶的开度，从而得到1500℃的涡轮机入口温度。针对内插，在这种情况下提供了如下表值，所述表值在某些点处使某些开度与燃气轮机的功率和进气温度相关联。然而，这种方法的缺点是无法实现依赖于燃气轮机运行的工作曲线。

在这方面，出现了如下技术要求，即，提供用于在部分负载运行期间用于燃气轮机的适当运行方法，从而能够避免已知的现有技术的缺点。特别地，要求提供一种用于燃气轮机的运行方法，该运行方法也要允许在燃气轮机控制系统的各条工作曲线之间基本受控和无问题地进行改变。换句话说，如果在两条工作曲线之间具有跳跃(这些跳跃在没有进一步设置的情况下通常不能无问题地进行)，控制系统也有能力以仍允许这些跳跃以受控和稳定的方式发生。

发明内容

本发明所基于的这些目的通过根据权利要求1和2所述的用于在部分负载运行期间运行燃气轮机的运行方法、根据权利要求7所述的燃气轮机控制系统以及根据权利要求8所述的燃气轮机而实现。

本发明所基于的目的特别是通过一种用于在部分负载运行期间运行燃气轮机的运行方法而实现，该方法包括以下步骤：

-预设在预定温度值处的功率设定值；

-确定所述燃气轮机的、温度相关于功率的两条工作曲线，其中功率设定值被布置在这些工作曲线之间；

-确定在基本恒定的预定温度值处这两条工作曲线的功率差；

-确定在基本恒定的预定温度值处所预设的功率设定值与所述两条工作曲线中的一条工作曲线的功率偏差；

-基于功率差和功率偏差来计算内插工作曲线偏差，

其中温度(T)是涡轮机出口温度(ATK)或以计算方式确定的涡轮机入口温度。

此外，本发明所基于的目的通过一种用于在部分负载运行期间运行燃气轮机的运行方法而实现，该方法包括以下步骤：

-预设在预定功率处的温度的设定值；

-确定所述燃气轮机的、温度相关于功率的两条工作曲线，其中温度的设定值被布置在这些工作曲线(FL)之间；

-确定在基本恒定的预定功率处这两条工作曲线的温度差；

-确定在基本恒定的预定功率处所预设的温度的设定值与两条工作曲线中的一条工作曲线的温度的偏差；

-基于温度差以及温度的设定值的偏差来计算内插工作曲线偏差，

此外，本发明所基于的目的通过一种包括控制单元的燃气涡轮机控制系统而实现，其中控制单元被设计为实施如上所述以及下文所述的方法。

本发明所基于的目的还通过一种包括这种燃气轮机控制系统的燃气轮机而实现。

根据本发明，工作曲线首先被理解为温度关于功率的函数，其中每条工作曲线被分配一个固定的参数组。可替代地，工作曲线也可以被理解为功率关于温度的函数。然而，在后续说明中，在这两种情况之间不应当进行明确的区分。特别地，如果各自的函数是单值的，则区分是完全不需要的。

这些工作曲线除了包括与燃气轮机的功率运行有关并且能够用于确定燃气轮机功率的温度之外，还包括在部分负载运行期间由燃气轮机输出的功率。然而，特别地，工作曲线还包括涉及燃料分配的运行参数，其中这些参数确定将多少燃料成比例地供应到燃气轮机的各个燃烧器或燃烧器级。通常，关于两条不同工作曲线的燃料分配的参数组之间的区别也在于，对各个燃烧器或燃烧器级的燃料的相对分配不同。因此，如果通过燃气轮机控制系统在两条工作曲线之间进行改变，则不仅功率或温度的运行参数发生改变，而且例如燃烧器和燃烧器级的比例燃料分配也发生改变。此外，由于压气机导向静叶位置的改变，工作曲线也会不同。

特别地，各个燃烧器或燃烧器级之间的燃料分配确保了在沿着工作曲线运行期间的稳定的总体燃烧。然而，如果此时要在两条工作曲线之间进行改变，那么在每种情况下将在燃气轮机控制系统中使用新参数组，使得在两条工作曲线之间的改变期间，各个燃烧器或燃烧器级之间的相对燃料比也将改变。

现在本发明提出：在这样的两条工作曲线之间的改变的情况下，预设合适的功率设定值或温度设定值，该设定值被布置在这两条工作曲线之间。为了现在能够确保燃气轮机的稳定运行，首先，两条运行曲线的功率差或温度差被确定，并且以某种方式作为最大功率差或最大温度差而被保持。类似地，确定从工作曲线之一(通常是为燃气轮机的当前运行提供的工作曲线)到相应的功率设定值或到温度设定值的距离，并且根据这些值来计算合适的功率偏差或预定温度设定值的功率偏差。基于所计算的功率差和功率偏差，或者基于温度差和温度设定值偏差，现在能够计算功率设定值或温度设定值的中间值，燃气轮机控制系统可以针对燃气轮机的运行而考虑该中间值。该中间值由内插工作曲线偏差产生，根据该内插工作曲线偏差，还针对各条工作曲线所包括的各个参数分别计算新中间参数值。

因此，内插工作曲线偏差的计算还用于能够确保燃气轮机对于所计算的中间值的稳定运行。由于根据本发明的内插工作曲线偏差现在还包括用于相应的运行参数的对应内插的参数组，所以燃气涡轮机控制系统还能够在两条运行曲线之间的改变期间访问中间状态，这有助于避免由于两条工作曲线之间的突变而直接导致不稳定的运行状态。根据本发明，燃气轮机因此至少通过在两条工作曲线之间建立另一中间值而被调节，从而取代了所述两条工作曲线之间的跳跃。通过这种方式，能够防止与工作曲线相关的各个运行参数之间出现不希望的高跳跃，并且因此可以避免在燃气轮机运行期间的不必要地急剧的不连续性。

在这种情况下，根据本发明的内插可以通过各种数学方法来计算，然而其中各个相同参数的线性内插构成了最简单且最有利的解决方案。换句话说，例如在预定温度值或预定功率值处与两条工作曲线相关联的各个运行参数被内插，从而各个运行参数在用于计算中间状态的三分率公式中通过简单的计算而被获得。

特别地，内插工作曲线偏差的确定还包括：确定在功率设定值或温度设定值处的燃料分配。这通常不同于两条工作曲线之一中的燃料分配，因为两条工作曲线通常具有不同的燃料分配。因此，例如与工作曲线相当的内插工作曲线偏差应被理解为工作参数的集合，所述工作参数的集合例如除了相关的温度和功率之外，还包括关于燃料分配或空气量(压气机入口导向挡板的导向静叶的位置)的运行参数。另外，如果为了功率增加而额外将水注入到燃气轮机中，则与运行曲线一样内插运行曲线偏差还可以额外地具有如下运行参数，这些运行参数更具体地确定注入水的量和分配。

关于这一点，应当再次注意的是，根据本发明预先确定的温度值在该情况下涉及如下温度，该温度被认为与燃气轮机的运行及其控制有关。这些特别是测量和计算出的在燃气轮机运行期间在燃气轮机的流动通道中发生的温度。因此，例如膨胀涡轮机(ATK)处的出口温度或涡轮机入口温度(TT1)就是这种温度。这些温度例如可以通过适当计算方法被更准确地确定，以便还能够考虑例如进入燃烧室或燃烧室下游的二次空气的进给。因此，预定温度值与功率确定相关。

根据本发明的功率涉及燃气轮机在运行期间输出的功率，其也可以被称为负载。

为了还能够在根据本发明的意义上运行例如沿着第一工作曲线运行的燃气涡轮机，通过本发明计算的内插工作曲线偏差通常与两条工作曲线之一相关联(通常是与当前在燃气轮机的控制系统中使用的工作曲线相关联)，由此产生新修改的工作曲线。然而，对于这种新修改的工作曲线而言至关重要的是：由功率设定值或温度设定值预设描述的至少一个中间状态，其中所涉及的设定值不被以下工作曲线覆盖，该工作曲线是已经以预定的状态存储在燃气轮机的控制系统中的两条工作曲线之一。

根据本发明提供的是，所述温度是涡轮机出口温度。在这种状态下，这些涡轮机出口温度可以是测量的并计算出的涡轮机出口温度(通常也称为TT2)。特别地，这些温度也可以是被热力学效应(例如二次空气进给或排放)以计算方式校正的涡轮机出口温度。这些温度通常在燃气轮机的控制系统内是现存的，从而可以容易地执行工作曲线和待确定的中间状态的限定。可替代地，以计算方式确定的涡轮机入口温度也可以用于确定所述温度。

根据本发明的另一个特别优选的实施例提供的是，两条工作曲线中的一条工作曲线是当前在燃气轮机的控制系统中使用的工作曲线。于是，一种用途在于，所涉及的工作曲线提供在燃气轮机中使用的参数作为控制基础。

根据本发明的一个特别优选的实施例提供的是，内插工作曲线偏差通过线性内插来计算。替代方法可以是加权内插，或者通过可根据相应标准生成的多边形曲线进行的内插。然而，线性内插可以容易地以计算方式被确定为简单的偏差值，例如可以在三分率公式中计算偏差值。然后，由此计算出的差值(也可以称为Δ差)可以与当前使用的运行曲线相关联，从而可以为燃气轮机的进一步运行确定新运行参考值。

根据本发明的另一个特别优选的实施例提供的是，内插运行曲线偏差考虑或者还包括压气机导向静叶位置的改变。在这种情况下，压气机导向静叶位置的改变在计算两条工作曲线的功率差或者在确定两条工作曲线的温度差时已经被考虑在内。换句话说，通过这种方式也可以考虑工作曲线，在工作曲线的工作参数中还包括表征压气机导向静叶的位置的不同值。在这方面，预设压气机导向静叶的不同位置的工作曲线之间的改变还可以灵活地进行。

根据本发明的另一个特别优选的实施例提供的是，还包括以下步骤：

-通过考虑内插工作曲线偏差(IFA)，来确定供应到燃气轮机的多个燃烧器或燃烧器级的各个燃料量的集合。

在这种情况下，所述各个燃料量的集合可以涉及多个燃烧器，或者还可以涉及多个燃烧器级。换句话说，在内插运行曲线偏差的计算中，对多个燃烧器的各个燃料量的分配也被重新确定。在这方面，内插工作曲线偏差还能够用于：对于当前针对预定数量的燃烧器或燃烧器级所建立的燃料量，确定一个校正值。现在，为了运行根据该实施例的燃气轮机，内插工作曲线偏差(即，修正值)将与例如当前使用的工作曲线相关联；由此，通过当前工作曲线与内插工作曲线偏差的适当数学关联，例如通过相加，可以计算对多个燃烧器或燃烧器级实际上要调整的各自燃料流量。

附图说明

下面将参照各个附图更全面地详细描述本发明。在这种情况下，附图仅示意性地示出了本发明；但是不会因此而限制本发明的可实施性。

还要指出的是，下述所有具有相同名称的技术特征都具有相同的技术功能。

出于同样的原因，应当指出的是：声明后续描述的技术特征可以有各种可选组合，只要这种组合能够实现本发明所基于的目的即可。

在这种情况下，在附图中：

图1以曲线形式示出了根据本发明的第一实施例的用于运行燃气轮机的不同工作曲线以及确定功率设定值的示意图；

图2以曲线形式示出了根据本发明的另一个实施例的通过考虑温度设定值的用于运行燃气轮机的不同工作曲线的示意图；

图3以曲线形式示出了根据本发明的另一实施例的用于确定功率设定值或温度的设定值的不同工作曲线的示意图。

具体实施方式

图1以曲线形式示出了用于运行燃气轮机的多条工作曲线FL1、FL2、FL3的示意图，所述工作曲线FL1、FL2、FL3基本彼此平行。工作曲线FL1、FL2、FL3可以描述为燃气轮机1(本示例中未示出)的温度T关于功率L的函数、或者功率L关于温度T的函数。在这种情况下，在所描绘的工作曲线FL1、FL2、FL3中，随着温度T的升高，功率L均匀增加。通常，这种工作曲线斜率例如通过以下方式而被区分，即，增加对燃气轮机1的各个燃烧器或燃烧器级的燃料供给。换句话说，工作曲线FL1、FL2和FL3可以被简单地描述为，例如对于燃气轮机1燃烧器或燃烧器级的按比例的各个燃料量的现有且固定的分配而言，仅仅是增加燃料总量。

然而，各条工作曲线FL1、FL2、FL3可以不同，使得供给到燃气轮机的各个燃烧器或燃烧器级的各个燃料流的比例量不同。因此，如果例如在将工作曲线FL2用作参考值的运行期间进行运行改变、以使得现在将工作曲线FL1用作参考值，则必须在燃气轮机1的控制系统中对相应关联的参数组进行相应改变。由于工作曲线FL1和FL2关于各个燃烧器或燃烧器级的燃料比例量也不同，所以这有时将导致比较剧烈的燃料分配改变跳跃，这可能使燃气轮机转变至不稳定的运行状态。为了防止这种情况，现在需要确定布置在两条工作曲线FL1和FL2之间的功率设定值LS。为了更具体地确定该功率设定值LS，根据本发明的一个实施例，进行如下内插，该内插用来计算功率设定值LS的对应运行参数。为此，在预定温度T0处(预定温度T0在该过程期间不应该改变或者不应该显著改变)，确定在预定温度值T0基本恒定的情况下存在于两条工作曲线FL2和FL1之间的功率差LU。类似地，同样在预设温度值T0基本恒定的情况下，确定所预设的功率设定值LS与第二工作曲线FL2的功率偏差LA。借助于功率差LU和功率偏差LA的这两个值，现在可以通过简单的三分计算法则来确定内插工作曲线偏差IFA，该曲线偏差实际上包括工作曲线FL的所有运行参数、但是参考两条工作曲线FL1和FL2之间的中间位置。如果该内插工作曲线偏差IFA现在另外地例如与第二运行曲线FL2以计算方式关联，则一个新的运行曲线斜率可以被限定，并且例如将运行曲线2连接至运行曲线1(参见各条工作曲线的高亮区域)。

因此，通过确定这种功率设定值LS，可以在工作曲线FL2和FL1之间的改变期间加入中间状态，该中间状态允许在受控运行的改变期间进行相对更稳定的中间运行。当然，也可以设想，在各条工作曲线FL1和FL2之间的更多个不同的功率设定值可以被确定。相应地，因此可以计算出，所建立的燃气轮机运行可以以更加稳定的方式进行。换句话说，通过计算工作曲线FL1和FL2之间的一个或多个功率设定值，可以限定新的整体工作曲线，并且可以在燃气轮机控制系统的范围内用作合适的参考值。在这种情况下，也可以想到的是，由此所计算的中间状态不仅在各个燃料流量的比例的参数方面不同，而且例如在导向静叶的位置方面也不同。特别地，在图1所示的在预定温度T0基本恒定、也即燃料质量流基本不变的情况下，工作曲线FL2和FL1之间的过渡典型地通过以下方式来进行，即，除改变各个燃烧器或燃烧器级的比例燃料流量之外还改变压气机入口导向静叶位置。

如图2所示，在工作曲线FL2和工作曲线FL1之间的燃气轮机运行改变期间的情形是不同的。如果工作曲线FL1和FL2被预设在基本上不变的温度值处，其中通过压气机入口导向静叶的调节而仅仅改变相关的功率值，那么两条工作曲线FL1和FL2之间实际上没有进行改变。因为实质上总的燃料质量流负责相关温度(例如涡轮机出口温度)的建立，所以对于当前示出的在工作曲线FL2和工作曲线FL1之间的改变，需要预设布置在两条工作曲线FL2和FL1之间的温度T的设定值ST。为了计算内插工作曲线偏差IFA，进而计算差值，但这次是计算基本恒定的预定功率L0处的两条工作曲线的温度差。此外，在基本恒定的预定功率L0处温度T的预定设定值ST与工作曲线FL2的温度T的偏差AST被计算。进而，借助于三分法则，可以从温度T的预定设定值ST的偏差AST和温度T的差值UT这两个值，来计算内插工作曲线偏差IFA。

在这种情况下，确定温度T的设定值ST时的其他原理对应于图1中用于确定功率设定值LS的原理。另一方面，两条工作曲线FL2和FL1之间的过渡首先通过改变供应到燃气轮机1(本示例中未示出)的各个燃烧器或燃烧器级的总燃料质量流量来实现。

图3示出了不同的工作曲线FL1、FL2、FL3和FL4的另一个示意图，其中图1和2所示的情形现在被组合。通过组合这些情形，在工作曲线FL1、FL2和FL3、FL4之间的过渡区域中产生混合区域MB，并以网格图案示出。然而，图1所示通过功率设定值LS从工作曲线FL2到工作曲线FL1的过渡主要通过调节压气机入口导向静叶来实现，并且根据图2的工作曲线FL2和FL1的过渡主要可以通过总燃料质量流的改变来实现，其中考虑了温度T的设定值ST，在混合区域MB中现在可以执行总燃料质量流的调节和压气机入口导向静叶的调节的组合，以便可选地在各条工作曲线之间进行改变。在这种情况下，总燃料质量流量和压气机入口导向静叶位置的调节可以基本上同时进行。

从从属权利要求中可能得到进一步的实施例。

Claims

1.一种用于在部分负载运行期间运行燃气轮机(1)的运行方法，所述运行方法包括以下步骤：

-预设在预定温度值(T0)处的功率设定值(LS)；

-确定所述燃气轮机(1)的、温度(T)相关于功率(L)的两条工作曲线(FL)，其中所述功率设定值(LS)被布置在这些工作曲线(FL)之间；

-确定在基本恒定的所述预定温度值(T0)处所述两条工作曲线(FL)的功率差(LU)；

-确定在基本恒定的所述预定温度值(T0)处所预设的功率设定值(LS)与所述两条工作曲线(FL)中的一条工作曲线的功率偏差(LA)；

-基于所述功率差(LU)和所述功率偏差(LA)来计算内插工作曲线偏差(IFA)，

其中所述温度(T)是涡轮机出口温度(ATK)或以计算方式确定的涡轮机入口温度。

2.一种用于在部分负载运行期间运行燃气轮机(1)的运行方法，所述运行方法包括以下步骤：

-预设在预定功率(L0)处的温度(T)的设定值(ST)；

-确定所述燃气轮机(1)的、温度(T)相关于功率(L)的两条工作曲线(FL)，其中所述温度(T)的所述设定值(ST)被布置在这些工作曲线(FL)之间；

-确定在基本恒定的所述预定功率(L0)处所述两条工作曲线(FL)的所述温度(T)的温度差(UT)；

-确定在基本恒定的所述预定功率(L0)处所预设的所述温度(T)的设定值(ST)与所述两条工作曲线(FL)中的一条工作曲线的所述温度(T)的偏差(AST)；

-基于所述温度(T)的所述温度差(UT)和所述温度(T)的所述设定值(ST)的所述偏差(AST)来计算内插工作曲线偏差(IFA)，

3.根据前述权利要求中任一项所述的运行方法，其特征在于，

所述两条工作曲线(FL)中的一条是当前在控制所述燃气轮机(1)中使用的工作曲线。

4.根据前述权利要求中任一项所述的运行方法，其特征在于，

所述内插工作曲线偏差(IFA)通过线性内插而计算。

5.根据前述权利要求中任一项所述的运行方法，其特征在于，

所述内插工作曲线偏差(IFA)考虑或者还包括压气机导向静叶位置的改变。

6.根据前述权利要求中任一项所述的运行方法，其特征在于，

还包括以下步骤：

-通过考虑所述内插工作曲线偏差(IFA)，确定供给到所述燃气轮机的多个燃烧器或燃烧器级的各个燃料量的集合。

7.一种燃气轮机控制系统，包括控制单元，其中所述控制单元被设计成执行根据前述权利要求中任一项所述的运行方法。

8.一种燃气轮机，包括根据权利要求7所述的燃气轮机控制系统。