RU2611104C2

RU2611104C2 - Способ и система для измерения входного воздушного потока с использованием инертного газа

Info

Publication number: RU2611104C2
Application number: RU2013110026A
Authority: RU
Inventors: Стивен Уильям ТИЛЛЕРИ; Джейсон Натаниел КУК
Original assignee: Дженерал Электрик Компани
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2017-02-21
Also published as: EP2636871A3; CN103308712A; US20130238102A1; RU2013110026A; JP2013186123A; EP2636871A2

Abstract

Предложены способы и система для измерения расхода входного воздушного потока газовой турбины с использованием инертного газа. Способ измерения массового расхода воздушного потока включает: ввод инертного газа в воздушный поток, при этом ввод инертного газа осуществляют перед фильтром на входе турбины; смешивание газа с воздухом; измерение концентрации упомянутого газа, смешанного с воздухом, в местоположении перед компрессором газовой турбины; запись количества упомянутого газа, введенного в упомянутый воздушный поток, и вычисление массового расхода воздушного потока на основе упомянутой измеренной концентрации газа и записанного количества введенного газа. Система для измерения массового расхода воздушного потока включает: газовую турбину, имеющую вход газовой турбины, фильтр на входе газовой турбины и компрессор, расположенный ниже по потоку относительно фильтра, источник инертного газа для ввода газа перед фильтром на входе турбины, при этом инертный газ вводится в воздушный поток и смешивается с воздухом, прибор для определения концентрации газа, смешанного с воздухом, выполненный с возможностью всасывания смеси инертного газа и воздуха и измерения уровня концентрации инертного газа; и процессор, который принимает результат измерения концентрации газа от упомянутого прибора для определения концентрации газа в местоположении перед компрессором газовой турбины и вычисляет массовый расход воздушного потока на основе упомянутой измеренной концентрации. Технический результат – повышение точности измерения расхода входного воздушного потока газовой турбины. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Существуют различные измерительные устройства, способные непосредственно измерять скорость воздуха или массовый расход воздушного потока, например калиброванные измерительные сопла, приемники статического давления, акустическое оборудование / оборудование на основе эффекта Доплера и т.п. Большинство этих способов имеют недостатки, связанные с их стоимостью и отсутствием гибкости. Например, калиброванное измерительное сопло может измерять расход воздушного потока на входе в компрессор, однако при этом оно вызывает значительный перепад давления выше по потоку относительно входа газовой турбины.

[0002] Измерения входного потока могут выполняться с использованием измерений статического давления во входном коллекторе газовой турбины. Этот способ работает достаточно хорошо при полной нагрузке, когда расход воздушного потока является высоким и достаточно стабильным, однако точность этого подхода падает с уменьшением расхода воздушного потока. Известно, что при расходе воздушного потока, меньшем расхода при полной нагрузке, этот способ измерения неточен и является очень нестабильным, по этой причине расход воздушного потока вычисляют на основе измерений в других циклах. Точную информацию об отношении количества топлива к воздуху в газовой турбине и других аналогичных системах с использованием существующих способов измерения воздушного потока получить довольно сложно, что может приводить к проблемам управления и к изменчивости рабочих параметров. Изменчивость рабочих параметров ведет к изменчивости циклов нагрева и охлаждения, что может снижать срок службы и выходную мощность оборудования.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] В настоящем описании предложены способы и системы для измерения массового расхода воздушного потока. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предложен способ, включающий шаги ввода газа в воздушный поток, смешивания газа с воздухом, измерения концентрации упомянутого газа, смешанного с упомянутым воздухом, и вычисления массового расхода воздушного потока на основе упомянутой измеренной концентрации газа.

[0004] В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения система включает газомер и процессор, который может принимать результат измерения концентрации газа от упомянутого газомера и вычислять массовый расход воздушного потока на основе упомянутой измеренной концентрации.

[0005] Данное краткое описание настоящего изобретения приведено для ознакомления, в упрощенной форме, с избранными его концепциями, описанными более подробно ниже, в разделе с подробным описанием изобретения. Данный раздел, включающий краткое описание настоящего изобретения, не предназначен для определения ключевых или существенных признаков заявленного изобретения и не должен использоваться для ограничения объема изобретения. Кроме того, заявленное изобретение не ограничивается вариантами его осуществления, обеспечивающими преодоление каких-либо из недостатков, отмеченных в любой части настоящего описания, или всех этих недостатков.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0006] Более детальное понимание настоящего изобретения может быть получено на основе дальнейшего описания, выполненного на основе примеров, в комбинации с приложенными чертежами, где:

[0007] фиг.1 представляет собой пример системы для измерения входного потока газовой турбины;

[0008] фиг.2 иллюстрирует пример способа реализации измерения массового расхода воздушного потока, не ограничивающий настоящее изобретение; и

[0009] фиг.3 представляет собой пример блок-схемы, иллюстрирующей компьютерную систему общего назначения, в которой могут быть реализованы аспекты настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0010] Фиг.1 является графическим представлением не ограничивающего настоящее изобретение примера системы, в которой может быть реализовано измерение массового расхода воздушного потока с использованием инертного газа. Показан корпус 105 входного устройства турбины, через который протекает воздух. Имеется контейнер с инертным газом 115 и точка 110 ввода, через которую инертный газ может вводиться в корпус 105 входного устройства турбины. Положение точки 110 ввода может изменяться. Ниже по потоку относительно точки 110 ввода расположен фильтр 120. Позицией 150 обозначена входная камера, в которой инертный газ может смешиваться с воздухом при его проходе в компрессор. Для измерения состава смеси инертного газа и воздуха могут использоваться газомер и зонд 125. Газомер 125 может взаимодействовать с контроллером 135 по линии 130 связи. Линия 130 связи может быть как проводной, так и беспроводной. Контроллер 135 может осуществлять управление различными устройствами электростанции. Линия 140 связи может обеспечивать возможность связи контроллера 135 с газовой турбиной (gas turbine, GT). Линия 140 связи может быть как проводной, так и беспроводной.

[0011] В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения точка 110 ввода инертного газа может располагаться у переднего конца корпуса 105 входного устройства перед фильтром 120. Фильтр 120 может способствовать смешиванию инертного газа с воздухом. Дополнительно, размещение точки 110 ввода и газомера 125 таким образом, чтобы они находились на максимальном расстоянии друг от друга, также улучшает смешивание воздуха и инертного газа за счет обеспечения большего пространства и более длительного времени для достаточного смешивания инертного газа и воздуха перед выполнением измерения.

[0012] В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения известное количество инертного газа вводят во входной воздушный поток, который входит в газовую турбину через систему нагрева паром из отбора турбины. После смешивания инертного газа с воздухом концентрация газа может быть измерена газомером 125 ниже по потоку относительно точки 110 ввода. Массовый расход воздушного потока может быть вычислен на основе известного количества введенного инертного газа и результата измерения концентрации газа.

[0013] Газомер 125 может быть размещен ниже по потоку относительно точки 110 ввода для измерения уровня концентрации газа перед тем, как какое-либо количество воздуха или газа будет отобрано. Измерение концентрации газа перед отбором воздуха или газа может обеспечивать повышение точности измерения концентрации инертного газа, и в результате, массового расхода воздушного потока. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, связанном с системой газовой турбины, измерение концентрации газа может осуществляться в любой точке, расположенной перед первой точкой отбора воздуха из системы, например перед точкой отбора воздуха из компрессора для охлаждения турбины. Газомер 125 может располагаться перед компрессором, как показано на фиг.1. Газомер 125 может также быть расположен в компрессоре. Размещение газомера (или зонда, который функционально соединен с газомером с возможностью связи) в компрессоре может само по себе способствовать получению более точного результата измерения концентрации инертного газа, и в итоге, массового расхода воздушного потока, поскольку компрессор может обеспечивать более полное перемешивание инертного газа и воздуха перед выполнением измерения.

[0014] Газ, который вводят и в конечном итоге измеряют газомером, может иметь множество характеристик. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения вводимый газ может представлять собой газ, исходно не присутствующий в воздухе на входе турбины. Ввод газа, который уже присутствует в воздухе, может давать неточные результаты измерения воздушного потока. Кроме того, вводимый газ может иметь состав, не оказывающий негативного влияния на конкретные процессы (например, инертный газ). В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, связанном с системой газовой турбины, вводимый газ может представлять собой инертный газ (например, неон), состав которого не оказывает негативного влияния на процесс горения. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутый инертный газ может представлять собой смесь газов (например, множества газов) известного состава.

[0015] Фиг.2 иллюстрирует не ограничивающий настоящее изобретение пример способа реализации системы для измерения воздушного потока с использованием инертного газа. Способ 200 может выполняться с помощью компьютерного оборудования, включающего мобильные устройства (например, планшетные компьютеры), серверы или любые другие устройства, способные выполнять вычислительные функции.

[0016] В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, в блоке 205, может осуществляться ввод инертного газа в воздушный поток на входе газовой турбины. В блоке 210 этот инертный газ может смешиваться с воздушным потоком. В блоке 215 газомер может анализировать смесь инертного газа и воздуха и получать уровень концентрации инертного газа. В блоке 220 может быть вычислен массовый расход воздушного потока на основе исходного введенного количества инертного газа и уровня концентрации инертного газа, который был измерен ниже по потоку относительно точки ввода. В блоке 225 на основе вычисленного массового расхода воздушного потока может осуществляться управление устройством, например, камерой сгорания.

[0017] После вычисления массового расхода воздушного потока на его основе может осуществляться автоматическое управление устройством. Например, в случае процессов горения, могут анализироваться отношения количества топлива к воздуху, чтобы предотвратить срыв пламени в камере сгорания. Применение инертного газа для измерения воздушного потока позволяет осуществлять управление камерой сгорания ближе к границе срыва пламени, а компрессор, например, можно сместить ближе к границам срыва потока.

[0018] В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения время обработки данных может быть уменьшено за счет управления оборудованием с использованием непосредственно измерения концентрации инертного газа, вместо выполнения дополнительного шага обработки с вычислением воздушного потока на основе изменения уровней концентрации вводимого инертного газа. Например, если инертный газ вводят с постоянным уровнем в течение заданного интервала времени, то использование измерения концентрации инертного газа (без последующего шага измерения массового расхода воздушного потока) может быть достаточным для безопасного и эффективного управления устройствами, например камерой сгорания или компрессором.

[0019] Не ограничивая каким-либо образом рамки объема изобретения, его интерпретацию или применение, технический результат, обеспечиваемый одним или более раскрытыми в данном описании примерами осуществления настоящего изобретения, заключается в обеспечении измерения расхода потока, которое может обеспечить возможность удержания контроллером компрессора и камеры сгорания в более узких границах, принимая во внимание ухудшение характеристик системы.

[0020] Фиг.3 и дальнейшее обсуждение предназначены для краткого описания, в общих чертах, подходящей вычислительной среды, в которой могут быть реализованы способы и системы, рассмотренные в настоящем описании, и/или их части. Измерение концентрации газа и последующее управление газовой турбиной могут выполняться при помощи системы управления газовой турбины (например, Mark Vie или т.п.). Для вычисления концентрации газа и распределения информации может применяться отдельная вычислительная система, параллельно или последовательно с контроллером газовой турбины.

[0021] Упомянутые способы и системы могут быть описаны в общем контексте машиноисполняемых инструкций, например программных модулей, исполняемых компьютером, например клиентской рабочей станцией, сервером или персональным компьютером. В общем случае программные модули включают процедуры, программы, объекты, компоненты, структуры данных и т.п., выполняющие конкретные задачи или реализующие конкретные абстрактные типы данных. При этом нужно понимать, что описанные в настоящем документе способы и системы и/или их части могут применяться на практике с другими конфигурациями компьютерной системными, включающими портативные устройства, мультипроцессорные системы, микропроцессорную или программируемую бытовую электронику, сетевые персональные компьютеры, миникомпьютеры, универсальные компьютеры и т.п. Описанные в настоящем документе способы и системы могут применяться на практике в распределенных вычислительных средах, в которых задачи выполняются удаленными устройствами обработки, связанными по сети связи. В распределенной вычислительной среде программные модули могут размещаться как в локальных, так и в удаленных запоминающих устройствах.

[0022] Фиг.3 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую компьютерную систему общего назначения, в которой могут быть реализованы аспекты раскрытых в настоящем описании способов и систем и/или их части. Как показано на чертеже, типовая вычислительная система общего назначения включает компьютер 320 или аналогичное устройство, включающее процессорный блок 321, системную память 322 и системную шину 323, которая связывает различные компоненты системы, включая системную память, с процессорным блоком 321. Системная шина 323 может иметь любой из множества типов шинных структур, включая шину памяти или контроллер памяти, периферийную шину и локальную шину, при этом может использоваться любая из множества различных шинных архитектур. Системная память включает постоянную память 324 (read-only memory, ROM) и оперативную память 325 (random access memory, RAM). В памяти ROM 324 хранится базовая система 326 ввода/вывода (basic input/output system, BIOS), включающая основные процедуры, с помощью которых осуществляется передача информации между элементами внутри компьютера 320, например, во время его запуска.

[0023] Компьютер 320 может включать также привод 327 жестких дисков для чтения и записи на жесткий диск (не показан на чертеже), привод 328 магнитных дисков для чтения или записи на съемный магнитный диск 329 и привод 330 оптических дисков для чтения или записи на съемный оптический диск 331, например CD-ROM или другой оптический носитель. Привод 327 жестких дисков, привод 328 магнитных дисков и привод 330 оптических дисков соединены с системной шиной 323 при помощи интерфейса 332 привода жестких дисков, интерфейса 333 привода магнитных дисков и интерфейса 334 привода оптических дисков соответственно. Эти приводы и связанные с ними машиночитаемые носители обеспечивают энергонезависимое хранение машиночитаемых инструкций, структур данных, программных модулей и других данных для компьютера 320.

[0024] Несмотря на применение в примере осуществления настоящего изобретения, рассмотренном в данном описании, жесткого диска, съемного магнитного диска 329 и съемного оптического диска 331, нужно понимать, что в данном примере операционной среды могут использоваться также и другие типы машиночитаемых носителей, способные хранить доступные для компьютера данные. Упомянутые другие типы носителей включают, без ограничения перечисленным, магнитную кассету, карту флеш-памяти, цифровой видеодиск (или цифровой универсальный диск), накопитель Бернулли, оперативную память (RAM), постоянную память (ROM) и т.п.

[0025] На жестком диске, магнитном диске 329, оптическом диске 331, в памяти ROM 324 или RAM 325 может храниться набор программных модулей, включая операционную систему 335 (OS), одну или более прикладных программ 336, другие программные модули 337 и данные 338 программ. Пользователь может вводить в компьютер 320 команды и информацию при помощи устройств ввода, например клавиатуры 340 или указывающего устройства 342. Другие устройства ввода (не показаны на чертеже) могут включать микрофон, джойстик, игровой контроллер, спутниковый диск, сканер и т.п. Эти и другие устройства ввода часто связаны с процессорным блоком 321 через интерфейс 346 с последовательным портом, подключенный к системной шине, однако они могут быть связаны и при помощи других интерфейсов, например параллельного порта, игрового порта или универсальной последовательной шины (universal serial bus, USB). Монитор 347 или устройство отображения другого типа также подключено к системной шине 323 через специальный интерфейс, например видеоадаптер 348. В дополнение к монитору 347 компьютер может включать другие периферийные устройства вывода (не показаны на чертеже), например динамики и принтеры. Пример системы, показанной на фиг.3, включает также хост-адаптер 355, шину 356 интерфейса малых вычислительных систем (Small Computer System Interface, SCSI) и внешнее запоминающее устройство 362, подключенное к шине 356 SCSI.

[0026] Компьютер 320 может работать в сетевом окружении с использованием логических соединений с одним или более удаленными компьютерами, например удаленным компьютером 349. Удаленный компьютер 349 может представлять собой персональный компьютер, сервер, маршрутизатор, сетевой персональный компьютер, одноранговое устройство или другой стандартный сетевой узел и может также включать несколько описанных выше в связи с компьютером 320 элементов или все эти элементы, несмотря на то что на фиг.3 проиллюстрировано только запоминающее устройство 350. Продемонстрированные на фиг.3 логические соединения включают локальную вычислительную сеть 351 (local area network, LAN) и глобальную вычислительную сеть 352 (wide area network, WAN). Такие сетевые среды часто встречаются в офисах, корпоративных компьютерных сетях, интранет и Интернет.

[0027] При использовании в сетевой среде LAN компьютер 320 подключают к сети LAN 351 при помощи сетевого интерфейса или адаптера 353. При использовании в сетевой среде WAN компьютер 320 может включать модем 354 или другие средства установления соединений по глобальной сети 352, например Интернет. Модем 354, который может быть внутренним или внешним, подключен к системной шине 323 через интерфейс 346 последовательного порта. В сетевой среде программные модули, которые проиллюстрированы в связи с компьютером 320, или их части могут храниться в удаленном запоминающем устройстве. Необходимо понимать, что продемонстрированные сетевые соединения являются всего лишь примерами и что могут применяться другие средства установления линий связи между компьютерами.

[0028] Компьютер 320 может включать различные машиночитаемые носители для хранения данных. Машиночитаемый носитель для хранения данных может представлять собой любой из доступных носителей, к которому компьютер 320 способен осуществлять доступ, при этом он может включать как энергозависимые, так и энергонезависимые носители, съемные и несъемные носители. Например, и без ограничения указанным, машиночитаемый носитель может включать компьютерный носитель для хранения данных или среду передачи. Компьютерный носитель данных включает как энергозависимые, так и энергонезависимые носители, съемные и несъемные носители, реализованные с использованием любого способа или технологии хранения информации, например машиночитаемых инструкций, структур данных, программных модулей или других данных. Компьютерный носитель для хранения данных включает, без ограничения перечисленным, RAM, ROM, EEPROM, флеш-память или другие технологии памяти, CD-ROM, цифровые универсальные диски (DVD) или другие накопители на оптических дисках, магнитные кассеты, магнитную пленку, накопители на магнитных дисках или другие магнитные запоминающие устройства или любой другой носитель, который может использоваться для хранения требуемой информации и к которому компьютер 320 может осуществлять доступ. Комбинации любого из вышеперечисленного также попадают в рамки машиночитаемых носителей, допускающих применение для хранения исходного кода, предназначенного для реализации описанных в настоящем документе способов и систем. В одном или более вариантах осуществления настоящего изобретения может применяться любая комбинация признаков или элементов, раскрытых в настоящем описании.

[0029] При описании предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированных на чертежах, для ясности была использована конкретная терминология. Заявленное изобретение, однако, не должно быть ограниченным выбранной таким образом терминологией, при этом нужно понимать, что каждый конкретный элемент включает все технические эквиваленты, функционирующие аналогичным образом с выполнением аналогичных функций.

[0030] В данном описании использованы примеры для раскрытия настоящего изобретения, включая предпочтительный вариант осуществления изобретения, а также для предоставления любому специалисту в данной области техники возможности практического применения настоящего изобретения, включая создание и использование любых устройств или систем и выполнения любых соответствующих способов. Рамки настоящего изобретения заданы формулой изобретения и могут включать другие примеры, найденные специалистами в настоящей области техники. Такие дополнительные примеры не должны выходить за рамки объема изобретения, заданного формулой изобретения, если они имеют структурные элементы, не отличающиеся от буквального языка пунктов формулы изобретения, или если они включают эквивалентные структурные элементы с незначительными отличиями от буквального языка пунктов формулы изобретения.

Claims

1. Способ измерения массового расхода воздушного потока, включающий:

ввод инертного газа в воздушный поток, при этом ввод инертного газа осуществляют перед фильтром на входе турбины; смешивание газа с воздухом;

измерение концентрации упомянутого газа, смешанного с воздухом, в местоположении перед компрессором газовой турбины;

запись количества упомянутого газа, введенного в упомянутый воздушный поток, и

вычисление массового расхода воздушного потока на основе упомянутой измеренной концентрации газа и записанного количества введенного газа.

2. Способ по п. 1, в котором упомянутый инертный газ представляет собой неон.

3. Способ по п. 1, также включающий:

автоматическое управление устройством на основе упомянутого вычисленного массового расхода воздушного потока.

4. Способ по п. 1, также включающий:

автоматическое управление устройством на основе упомянутой измеренной концентрации газа, смешанного с воздухом.

5. Система для измерения массового расхода воздушного потока, включающая:

газовую турбину, имеющую вход газовой турбины, фильтр на входе газовой турбины и компрессор, расположенный ниже по потоку относительно фильтра,

источник инертного газа для ввода газа перед фильтром на входе турбины, при этом инертный газ вводится в воздушный поток и смешивается с воздухом,

прибор для определения концентрации газа, смешанного с воздухом, выполненный с возможностью всасывания смеси инертного газа и воздуха и измерения уровня концентрации инертного газа; и

процессор, который принимает результат измерения концентрации газа от упомянутого прибора для определения концентрации газа в местоположении перед компрессором газовой турбины и вычисляет массовый расход воздушного потока на основе упомянутой измеренной концентрации.

6. Система по п. 5, в которой упомянутый процессор автоматически управляет устройством на основе упомянутого вычисленного массового расхода воздушного потока.

7. Система по п. 5, в которой упомянутый процессор автоматически управляет устройством на основе упомянутого результата измерения концентрации.

8. Система по п. 5, в которой процессор вычисляет упомянутый массовый расход воздушного потока на основе упомянутой измеренной концентрации и записанного количества газа, введенного выше по потоку относительно упомянутого прибора для определения концентрации газа.