CN108571385B - 用于控制燃料分流的系统、控制器和非暂态可读存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于控制燃料分流的系统、控制器和非暂态可读存储介质。所述非暂态计算机可读存储介质存储有一个或多个处理器可执行指令，其中所述一个或多个指令在由控制器的处理器执行时，致使动作被执行。被执行的所述动作包括使用自动调谐来控制送至燃气涡轮机的燃烧器的燃料分流，以及将送至所述燃气涡轮机的所述燃烧器的所述燃料分流的控制切换成使用经调整的固定燃料分流计划表来替代自动调谐。所述经调整的固定燃料分流计划表包括经由偏差值调整的固定燃料分流计划表，并且所述偏差值基于所述固定燃料分流计划表和基于自动调谐的燃料分流两者。

Description

用于控制燃料分流的系统、控制器和非暂态可读存储介质
技术领域
本说明书中公开的主题涉及燃气涡轮机(gas turbines)，并且更确切地说，涉及用于控制送至燃气涡轮燃烧器的燃料分流(fuel split)的系统和方法。
背景技术
燃气涡轮机系统通常包括具有压缩机、燃烧器和涡轮的至少一个燃气涡轮发动机。燃气涡轮机系统具有监测和控制其操作的控制系统(例如，控制器)。这些控制器管理(govern)燃气涡轮机的燃烧系统和涡轮机的其他操作方面。例如，控制器控制燃烧器的燃料分流以维持预期燃烧模式(例如，在部分负载总燃料流期间)并且使燃气涡轮机在既定操作边界(established operational boundaries)(例如燃烧动力(dynamics))内操作。在部分负载操作期间，燃烧器燃料分流可以极大地影响有害排放物例如一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOX)的产生。需要适当地控制燃料分流，以保持燃气涡轮机符合排放标准(emissionscompliance)。
发明内容
下文概述与最早提出权利要求的本发明的范围相符的某些实施例。这些实施例并不意图限制提出权利要求的本发明的范围，相反，这些实施例仅意图提供本发明的可能形式的简述。实际上，本发明可涵盖可与下述实施例类似或不同的各种形式。
根据第一实施例，本发明提供了一种存储有一个或多个处理器可执行指令的非暂态计算机可读存储介质，其中所述一个或多个指令在由控制器的处理器执行时，致使动作被执行。被执行的所述动作包括使用自动调谐(automatic tuning)来控制送至燃气涡轮机的燃烧器的燃料分流，以及将送至所述燃气涡轮机的所述燃烧器的所述燃料分流的控制切换成使用经调整的固定燃料分流计划表(fixed fuel split schedule)来替代(insteadof)自动调谐。所述经调整的固定燃料分流计划表包括经由偏差值(biasing value)调整的固定燃料分流计划表，并且所述偏差值基于所述固定燃料分流计划表以及基于自动调谐的燃料分流两者。
其中，被执行的所述动作包括基于所述固定燃料分流计划表和所述基于自动调谐的燃料分流两者来确定所述偏差值。
其中，确定所述偏差值包括将所述固定燃料分流计划表与所述基于自动调谐的燃料分流进行比较。
其中，确定所述偏差值包括确定所述固定燃料分流计划表与所述基于自动调谐的燃料分流之间的差异(difference)。
其中，被执行的所述动作包括存储所述固定燃料分流计划表与所述基于自动调谐的燃料分流之间的所述差异。
其中，被执行的所述动作包括使用所述偏差值调整所述固定燃料分流计划表。
其中，调整所述固定燃料分流计划表包括从所述固定燃料分流计划表中减去(subtracting)所述偏差值。
其中，调整所述固定燃料分流计划表包括将所述固定燃料分流计划表加上(adding)所述偏差值。
其中，所述偏差值包括在使用自动调谐来控制所述燃料分流的最近时间段上(over a most recent time period)确定的平均偏差值。
根据第二实施例，本发明提供了一种燃气涡轮机控制器，所述燃气涡轮机控制器配置成控制送至燃气涡轮机的燃烧器的燃料分流。所述燃气涡轮机控制器编程成使用自动调谐来控制送至所述燃气涡轮机的所述燃烧器的所述燃料分流，以及将送至所述燃气涡轮机的所述燃烧器的所述燃料分流的控制切换成使用经调整的固定燃料分流计划表来替代自动调谐。所述经调整的固定燃料分流计划表包括经由偏差值调整的固定燃料分流计划表，并且所述偏差值基于所述固定燃料分流计划表以及基于自动调谐的燃料分流两者。
其中，所述燃气涡轮机控制器被编程成基于所述固定燃料分流计划表和所述基于自动调谐的燃料分流两者来确定所述偏差值。
其中，所述燃气涡轮机控制器被编程成通过将所述固定燃料分流计划表与所述基于自动调谐的燃料分流进行比较并且确定所述固定燃料分流计划表与所述基于自动调谐的燃料分流之间的差异来确定所述偏差值。
其中，所述燃气涡轮机控制器被编程成存储所述固定燃料分流计划表与所述基于自动调谐的燃料分流之间的所述差异。
其中，所述燃气涡轮机控制器被编程成使用所述偏差值来调整所述固定燃料分流计划表。
其中，所述燃气涡轮机控制器被编程成通过从所述固定燃料分流计划表中减去所述偏差值来调整所述固定燃料分流计划表。
其中，所述燃气涡轮机控制器被编程成通过将所述固定燃料分流计划表加上所述偏差值来调整所述固定燃料分流计划表。
其中，所述偏差值包括在使用自动调谐来控制所述燃料分流的最近时间段上确定的平均偏差值。
根据第三实施例，本发明提供了一种系统。所述系统包括燃气涡轮机以及以通信方式连接到所述燃气涡轮机的控制器。所述控制器配置成控制送至所述燃气涡轮机的燃烧器的燃气分流。所述控制器被编程成使用自动调谐来控制送至所述燃气涡轮机的所述燃烧器的所述燃料分流，以及将送至所述燃气涡轮机的所述燃烧器的所述燃料分流的控制切换成使用经调整的固定燃料分流计划表来替代自动调谐。所述经调整的固定燃料分流计划表包括经由偏差值调整的固定燃料分流计划表，并且所述偏差值基于所述固定燃料分流计划表与基于自动调谐的燃料分流之间的差异。
其中，所述控制器被编程成通过将所述固定燃料分流计划表加上所述偏差值或者从所述固定燃料分流计划表中减去所述偏差值来调整所述固定燃料分流计划表。
其中，所述偏差值包括在使用自动调谐来控制所述燃料分流的最近时间段上确定的平均偏差值。
附图说明
当参考附图阅读以下详细说明时，将能更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，其中在所有附图中相同的符号表示相同的部分，其中：
图1是连接到控制器的燃气涡轮机系统的实施例的方框图；以及
图2是用于控制送至燃气涡轮机的燃烧器的燃料分流的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
下文将描述本发明的一个或多个具体实施例。为了提供这些实施例的简要描述，说明书中可能不会描述实际实现方案中的所有特征。应了解，在任何工程或设计项目中开发任何此类实际实施方案时，必须做出特定于实施方案的大量决定以实现开发人员的特定目标，例如，遵守与系统相关以及与业务相关的限制，而这些限制可能会因实施方案的不同而有所不同。另外，应当了解，此类开发工作可能复杂而且耗时，但对受益于本发明的所属领域中的普通技术人员而言，这将仍是设计、制造以及生产中的常规任务。
在介绍本发明的各实施例中的要素时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示有一个或多个这种要素。术语“包含”、“包括”和“具有”旨在于包括性含义，且表示除了所列要素外，可能还有其他要素。
通常，在燃气涡轮机的操作期间，可以使用自动调谐系统(automated tuningsystem)来控制燃烧器的燃料分流(例如，使用基于自动调谐的燃料分流)，以将排放和燃烧动力维持在规定限制内。在某些条件下(例如，燃烧动力(combustion dynamics)极高、参数(功率级)偏差大等)，所述控制器切换到固定燃料分流计划表或表格(table)来控制燃料分流。但是，固定的燃料分流未必能使燃气涡轮机在符合排放标准的负载下(at an emissioncompliant load)运行。所公开的实施例涉及用于控制送至燃气涡轮发动机的燃烧器的燃料分流的系统和方法。例如，可以提供控制器，所述控制器使用经调整的固定燃料分流计划表来控制燃烧器的燃料分流。可以通过确定基于自动调谐的最新燃料分流与固定燃料分流计划表之间的差异(例如，偏差值(biasing value))并且对所述固定燃料分流计划表应用(例如，减去或加上)所述差值来得到所述经调整的固定燃料分流计划表。使用所述经调整的固定燃料分流计划表可以在排放、稳定裕度(stability margin)、燃烧动力和贫油熄火裕度(lean blow out margin)方面提供更强大的(robust)燃烧可操作性(例如，与使用固定燃料计划表相比)。
现在参见附图，图1示出了燃气涡轮机系统10的实施例的方框图。燃气涡轮机系统10包括压缩机12、涡轮燃烧器14和涡轮(或涡轮机)16。涡轮燃烧器14包括燃料喷嘴18，所述燃料喷嘴将液体燃料、气体燃料(例如天然气)和/或混合燃料(例如，天然气和工艺气体的混合物)输送到涡轮燃烧器14中。例如，工艺气体可以包括高炉煤气(blast furnace gas)、焦炉煤气(coke oven gas)、炼油厂烟道气(refinery flue gas)、由炼油厂或化工工艺产生的合成气(synthetic gas)，或者它们的组合。如图所示，每个涡轮燃烧器14可以具有多个燃料喷嘴18。更确切地说，涡轮燃烧器14可以各自包括主燃料喷嘴(primary fuelnozzles)20和次级燃料喷嘴(secondary fuel nozzles)22。所述主燃料喷嘴20用于天然气，并且所述次级燃料喷嘴22用于替代燃料，所述替代燃料通常是馏分(distillate)。如下文详述，所述主燃料喷嘴20和次级燃料喷嘴22接收燃料以用在涡轮燃烧器14内。在某些实施例中，燃烧器14可以是干式低NOX(DLN)燃烧系统的一部分。涡轮燃烧器14点燃并燃烧氧化剂燃料混合物(例如，空气燃料混合物)，然后将所得的热加压燃烧气体24(例如，排气)输送到涡轮16中。涡轮16内的涡轮叶片连接到燃气涡轮机系统10的轴26，所述轴26也可以连接到整个涡轮机系统10中的若干其他部件。当燃烧气体24抵靠涡轮16的涡轮叶片并且在涡轮叶片之间流动时，将驱使涡轮16旋转，进而致使轴26旋转。最终，燃烧气体24经由排气出口28离开涡轮机系统10。此外，在图示实施例中，轴26连接到负载30，其中通过轴26的旋转向所述负载提供动力。负载30可以是通过涡轮机系统10的旋转输出产生动力的任何适当装置，例如发电机、飞行器螺旋桨(propeller)或其他负载。
燃气涡轮机系统10的压缩机12包括压缩机叶片。压缩机12内的压缩机叶片连接到轴26，并且将随着涡轮16驱使轴26旋转而旋转，如上所述。当压缩机叶片在压缩机12内旋转时，压缩机12压缩从进气口32接收的空气(或任何适当氧化剂)以产生加压空气34。然后将加压空气34供应到燃烧器14的燃料喷嘴18中。如上所述，燃料喷嘴18将加压空气34和燃料混合以产生适当混合比例以用于燃烧，例如使燃料更完全燃烧的燃烧，从而不浪费燃料或引起过量排放。在以下讨论中，可以参照燃烧器14的轴向方向或轴向轴线42(例如纵向轴线)、燃烧器14的径向方向或径向轴线44以及燃烧器14的周向方向或周向轴线46。
如图1所示，控制器50(例如电子控制器和/或基于处理器的控制器)以通信方式(communicatively)连接到燃气涡轮机系统10的一个或多个部件。在某些实施例中，控制器50是燃气涡轮机控制器、燃料控制器和/或它们的组合。在某些实施例中，控制器50可以包括多个控制器。在某些实施例中，控制器50可以从设置在整个系统中的传感器(例如，流量传感器、温度传感器、压力传感器、速度传感器等)接收关于多个运行参数(温度、压力、流量等)的反馈。在某些实施例中，控制器50可以经由执行器来调整系统10的一个或多个部件。
控制器50包括以通信方式连接到处理器54的存储器52(例如，非暂态计算机可读介质/存储器电路)。每个存储器52存储一个或多个指令集(例如，处理器可执行指令)，所述指令集实施用于执行与系统10的部件相关的操作。更确切地说，存储器52可以包括易失性存储器，例如随机存取存储器(RAM)，以及/或者非易失性存储器，例如只读存储器(ROM)、非易失性随机存取存储器(NVRAM)、光驱动器、硬盘驱动器或固态驱动器。此外，处理器54可以包括一个或多个专用集成电路(ASIC)、一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、一个或多个通用处理器或者它们的任何组合。此外，术语“处理器”不限于所属领域中称为处理器的集成电路，而是泛指计算机、处理器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器、专用集成电路以及其他可编程电路。
控制器50配置成控制燃烧系统。确切地说，所述控制器可以调整从燃料供应流向燃烧器14的燃料。控制器50还可以选择用于燃烧器14的燃料的类型。此外，控制器50可以产生并执行燃料分流命令，所述燃料分流命令用于确定燃料中流向燃烧器14的各个燃料回路的燃料部分。例如，主燃料喷嘴20可以经由4个不同的回路来供应燃料(例如，气体燃料)，并且控制器50可以控制送至这些回路中的每一个回路的分流。在某些实施例中，控制器50还可以控制送至为次级燃料喷嘴22供料的回路的燃料分流。所述燃料分流命令与每个燃料回路的燃料分流百分比相对应，所述燃料分流百分比限定在输送到燃烧器14的燃料总量中，经由特定燃料回路供应的燃料所占的百分比。确切地说，控制器50可以使用自动调谐(automatic tuning)(例如自调谐或自动调谐(autotune))系统来控制燃烧器14的燃料分流。自动调谐系统将自动调整运行参数(例如，燃料比(fuel ratio))以将排放和燃烧动力维持在规定限制内。默认情况下(例如，当由于燃烧动力极高、参数偏差大等而被踢出(kicked out)自动调谐系统时)，控制器50可以使用固定燃料分流计划表来控制燃烧器的燃料分流。所述固定燃料分流计划表通常比基于自动调谐的燃料分流更保守(moreconservative)。所述固定燃料分流计划表通常基于燃气涡轮机系统10的运行参数(例如，负载)将燃料分流设定成特定百分比。
在某些实施例中，当控制器50停止使用自动调谐系统(例如，由于被踢出)来控制燃料分流时，控制器50配置成切换(例如即刻切换)成使用经调整的固定燃料分流计划表或表格。在使用自动调谐系统的最近时间段中，控制器50配置成将基于自动调谐的燃料分流与固定燃料分流计划表进行比较，以确定它们之间的差异(即，偏差值)。在某些实施例中，所述偏差值是在使用自动调谐系统来控制燃料分流的最近时间段上的平均值。控制器50配置成将所述偏差值存储在存储器52(例如，NVRAM)中。控制器50配置成通过所述偏差值(例如，通过加上或减去所述偏差值)来调整所述固定燃料分流计划表，以产生用于控制送至燃烧器14的燃料分流的所述经调整的固定燃料分流计划表。在某些实施例中，所述偏差值可以表示百分比变化。使用所述经调整的固定燃料分流计划表可以在排放、稳定裕度、燃烧动力和贫油熄火裕度方面提供更强大的燃烧可操作性(例如，与使用固定燃料计划表相比)。
图2是用于控制送至燃气涡轮机10的燃烧器14的燃料分流的方法56的实施例的流程图。方法56可以由控制器50执行。方法56的一个或多个步骤可以同时或者以与图2所示顺序不同的顺序执行。方法56包括操作燃气涡轮发动机或燃气涡轮机10，同时使用自动调谐系统来控制送至燃气涡轮机10的燃烧器14的燃料分流(方框58)。方法56还包括(当使用自动调谐时)将使用自动调谐的燃料分流(例如，基于自动调谐的燃料分流)与固定燃料分流计划表进行比较(方框60)。方法56进一步包括(在使用自动调谐的同时)确定并且存储或记录基于自动调谐的燃料分流与固定燃料分流计划表之间的差异(即偏差值)(方框62)。在某些实施例中，所述差异或偏差值存储在存储器52(例如，NVRAM)中。在某些实施例中，所述偏差值是在使用自动调谐系统来控制燃料分流的最近时间段上的平均值。方法56更进一步包括停止使用自动调谐系统来控制送至所述燃烧器14的燃料分流(方框64)。在某些实施例中，控制器50由于存在某些条件(例如，燃烧动力极高、参数(功率级)偏差大等)而停止使用自动调谐。方法56再进一步包括切换到(例如即刻切换到)使用经调整的固定燃料分流计划表来控制送至燃烧器14的燃料分流(方框66)。如上所述，控制器50通过对所述固定燃料分流计划表应用所述偏差值来产生经调整的固定燃料分流计划表。
本发明的技术效果包括用于控制送至燃气涡轮发动机的燃烧器的燃气分流的系统和方法。例如，可以提供控制器，所述控制器使用经调整的固定燃料分流计划表来控制燃烧器的燃料分流。可以通过确定基于自动调谐的最新燃料分流与固定燃料分流计划表之间的差异(例如，偏差值)并且对所述固定燃料分流计划表应用(例如，减去或加上)所述差值来得到所述经调整的固定燃料分流计划表。使用所述经调整的固定燃料分流计划表可以在排放、稳定裕度、燃烧动力和贫油熄火裕度方面提供更强大的燃烧可操作性(例如，与使用固定燃料计划表相比)。
本说明书使用各个实例来公开本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求书界定，并且可包括所属领域中的技术人员得出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的范围内。

Claims (21)

1.一种存储有一个或多个处理器可执行指令的非暂态计算机可读存储介质，其中所述一个或多个指令在由控制器的处理器执行时致使动作被执行，所述动作包括：
使用自动调谐来控制送至燃气涡轮机的燃烧器的燃料分流；以及
将送至所述燃气涡轮机的所述燃烧器的所述燃料分流的控制切换成使用经调整的固定燃料分流计划表来替代自动调谐，其中所述经调整的固定燃料分流计划表包括经由差异调整的固定燃料分流计划表，并且所述差异基于所述固定燃料分流计划表和基于自动调谐的最新燃料分流两者。
2.根据权利要求1所述的非暂态计算机可读存储介质，其中待被执行的所述动作包括基于所述固定燃料分流计划表和所述基于自动调谐的最新燃料分流两者来确定偏差值。
3.根据权利要求2所述的非暂态计算机可读存储介质，其中确定所述偏差值包括将所述固定燃料分流计划表与所述基于自动调谐的最新燃料分流进行比较。
4.根据权利要求3所述的非暂态计算机可读存储介质，其中确定所述偏差值包括确定所述固定燃料分流计划表与所述基于自动调谐的最新燃料分流之间的差异值。
5.根据权利要求4所述的非暂态计算机可读存储介质，其中待被执行的所述动作包括存储所述固定燃料分流计划表与所述基于自动调谐的最新燃料分流之间的所述差异值。
6.根据权利要求4所述的非暂态计算机可读存储介质，其中待被执行的所述动作包括使用所述偏差值调整所述固定燃料分流计划表。
7.根据权利要求6所述的非暂态计算机可读存储介质，其中调整所述固定燃料分流计划表包括从所述固定燃料分流计划表中减去所述偏差值。
8.根据权利要求6所述的非暂态计算机可读存储介质，其中调整所述固定燃料分流计划表包括将所述固定燃料分流计划表加上所述偏差值。
9.根据权利要求4所述的非暂态计算机可读存储介质，其中所述偏差值包括在使用自动调谐来控制所述燃料分流的最近时间段上确定的平均偏差值。
10.一种燃气涡轮机控制器，所述燃气涡轮机控制器配置成控制送至燃气涡轮机的燃烧器的燃料分流，其中所述燃气涡轮机控制器被编程成：使用自动调谐来控制送至所述燃气涡轮机的所述燃烧器的所述燃料分流，以及将送至所述燃气涡轮机的所述燃烧器的所述燃料分流的控制切换成使用经调整的固定燃料分流计划表来替代自动调谐，并且其中所述经调整的固定燃料分流计划表包括经由差异调整的固定燃料分流计划表，并且所述差异基于所述固定燃料分流计划表以及基于自动调谐的最新燃料分流两者。
11.根据权利要求10所述的燃气涡轮机控制器，其中所述燃气涡轮机控制器被编程成基于所述固定燃料分流计划表和所述基于自动调谐的最新燃料分流两者来确定偏差值。
12.根据权利要求11所述的燃气涡轮机控制器，其中所述燃气涡轮机控制器被编程成通过将所述固定燃料分流计划表与所述基于自动调谐的最新燃料分流进行比较并且确定所述固定燃料分流计划表与所述基于自动调谐的最新燃料分流之间的差异值来确定所述偏差值。
13.根据权利要求12所述的燃气涡轮机控制器，其中所述燃气涡轮机控制器被编程成存储所述固定燃料分流计划表与所述基于自动调谐的最新燃料分流之间的所述差异值。
14.根据权利要求12所述的燃气涡轮机控制器，其中所述燃气涡轮机控制器被编程成使用所述偏差值来调整所述固定燃料分流计划表。
15.根据权利要求14所述的燃气涡轮机控制器，其中所述燃气涡轮机控制器被编程成通过从所述固定燃料分流计划表中减去所述偏差值来调整所述固定燃料分流计划表。
16.根据权利要求14所述的燃气涡轮机控制器，其中所述燃气涡轮机控制器被编程成通过将所述固定燃料分流计划表加上所述偏差值来调整所述固定燃料分流计划表。
17.根据权利要求12所述的燃气涡轮机控制器，其中所述偏差值包括在使用自动调谐来控制所述燃料分流的最近时间段上确定的平均偏差值。
18.一种用于控制燃料分流的系统，包括：
燃气涡轮机；以及
控制器，所述控制器以通信方式连接到所述燃气涡轮机并且配置成控制送至燃气涡轮机的燃烧器的燃料分流，其中所述控制器被编程成使用自动调谐来控制送至所述燃气涡轮机的所述燃烧器的所述燃料分流，并且将送至所述燃气涡轮机的所述燃烧器的所述燃料分流的控制切换成使用经调整的固定燃料分流计划表来替代自动调谐，并且其中所述经调整的固定燃料分流计划表包括经由差异调整的固定燃料分流计划表，并且所述差异基于所述固定燃料分流计划表与基于自动调谐的最新燃料分流之间的差异值。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述控制器被编程成基于所述固定燃料分流计划表和所述基于自动调谐的最新燃料分流两者来确定偏差值。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述控制器被编程成通过将所述固定燃料分流计划表加上所述偏差值或者从所述固定燃料分流计划表中减去所述偏差值来调整所述固定燃料分流计划表。
21.根据权利要求19所述的系统，其中所述偏差值包括在使用自动调谐来控制所述燃料分流的最近时间段上确定的平均偏差值。
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