燃氣渦輪停機的製作方法

2023-06-02 11:10:56 2

專利名稱：燃氣渦輪停機的製作方法
技術領域：
本發明大致涉及燃氣渦輪技術。更具體而言，本發明涉及利用燃料空氣比和/或 轉子速度控制的燃氣渦輪停機。
背景技術：
目前使燃氣渦輪停機的方法是以時間為函數減小燃料流量。可通過確定在渦輪全 速的燃料流量並且然後減小燃料流量(F)與時間的比值(dF/dt)來完成該過程。一旦燃料 流量和/或轉子速度對於具體渦輪而言足夠低(例如，全速的20% )，則燃料流動停止，並 且渦輪減速至最低速度，完成渦輪的停機。上述方法形成的一個挑戰在於其引起停機行為的大幅變化，這種變化不容易控 制。更具體而言，通過以時間為函數減小燃料流量使燃氣渦輪停機並不確保燃料流量與渦 輪的操作速度之間的直接關係。相反，轉子速度與時間的關係的顯著變化是各種損耗、不 同的渦輪狀態等差別所致。轉子速度的變化產生燃料空氣比的顯著差異，因為進氣量是 轉子速度的函數，而燃料流量不與速度直接相關。從而，減小燃料流量不一定能夠控制渦 輪如何操作。特別地，未受控和變化的燃料空氣比可導致點火溫度、排氣溫度和排放率等 的變化。這種方法還提供許多不可預知的特徵，例如其從全速減速至「盤車速度(turning gearspeed)」所花費的時間，該盤車速度即轉子必須由外部源連續轉動以便防止轉子彎曲 (bow)的速度。其還使得難以準確地預測零件壽命，因為零件在實際操作中所經歷的時間和 溫度是變化的。另外，停機行為的變化將對渦輪間隙有影響，並且可導致在需要的間隙方面 更加保守以及因此造成的燃氣渦輪性能的損失。

發明內容
本公開的第一方面提供一種燃氣渦輪，包括轉子；以及控制器，控制器通過控制 空氣流量、轉子速度或燃料流量中的至少一個來控制燃氣渦輪的停機以最大限度地減少停 機變化。本公開的第二方面提供一種燃氣渦輪，包括轉子；發電機，發電機包括聯接至轉 子以驅動轉子的轉動的起動系統；以及控制器，該控制器用於根據目標速度規程(speed schedule)控制轉子速度以獲得燃氣渦輪的指定的停機持續時間，該控制器通過接合起動 系統以轉動轉子而控制轉子速度。本公開的第三方面提供一種方法，包括通過控制以下中的至少一個而控制燃氣 渦輪的停機用以獲得目標燃料空氣比曲線的空氣流量、用以獲得目標燃料空氣比曲線的 燃料流量、或根據配置成用以獲得指定的停機持續時間的目標速度規程的轉子速度。


圖1顯示了根據本發明的實施例的動力裝置的相關部分的示意圖。圖2顯示了負載換相式變頻器(LCI)標稱速度與電流規程的關係。
部件列表90動力裝置；102控制器；100燃氣渦輪；110轉子；112發電機；114起動系統；134 燃料空氣比曲線；132模型；136速度規程；130建模裝置；140流量控制器；150速度控制 器；152確定裝置；154系統控制；160神經網絡；
具體實施例方式參照圖1，示出了包括根據實施例的控制器102的動力裝置90。動力裝置90包括 燃氣渦輪100。燃氣渦輪100可包括任何已知的或以後開發的燃氣渦輪。燃氣渦輪100通 過燃燒燃料(如天然氣)轉動轉子110。轉子110聯接至從轉子100的轉動產生電力的發 電機112。發電機112可包括任何已知的或以後開發的發電機，其包括起動系統114，如馬 達、負載換相式變頻器(LCI)或用於將外部扭矩施加至轉子110的類似結構。可以理解，起 動系統114聯接至轉子110並配置成用以逆轉發電機112的操作以驅動轉子100的轉動。 如果使用了 LCI，則簡而言之，其將發電機112變成馬達。控制器102可包括任何已知的或以後開發的控制系統，用於實際控制動力裝置90 的所有部分，如燃氣渦輪100、發電機112、起動系統114、控制閥、燃料流量、空氣流量等。此 外，根據本發明的實施例，控制器102控制燃氣渦輪100的停機，通過控制空氣流量、轉子速 度或燃料流量中的至少一個來最大限度地減小停機變化。這與常規技術相反，常規技術僅 以時間為函數來減小燃料流量，即它們不控制燃料流量以滿足任何其它系統需求。控制器 102可控制停機以最優化各種參數中的任何參數，例如循環溫度、排放率、零件壽命、間隙、 停機持續時間等。在一個實施例中，控制器102基於目標燃料空氣比曲線來控制停機。這種情況下， 控制器102可控制空氣流量A或燃料流量Wf以獲得目標燃料空氣比曲線，該目標燃料空氣 比曲線基於配置成獲得最優化停機的模型。可通過控制渦輪100內的進氣導葉而部分控制 空氣流量A，並且可通過控制例如燃料泵(未示出)而部分控制燃料流量WF。在另一實施 例中，控制器102通過根據目標速度規程控制轉子速度N而控制停機，以獲得指定的停機持 續時間。這種情況下，控制器102通過接合起動系統114以轉動轉子而控制轉子速度N，即， 增加或減小其速度N以匹配目標速度規程。上述實施例可單獨使用，也可結合使用。也就是說，控制器102控制以下至少一 個空氣流量A和/或燃料流量WF，以獲得基於模型132的目標燃料空氣比曲線134 ；和/ 或根據配置成獲得指定的停機持續時間的目標速度規程136的轉子速度N。在結構上，控制器102可包括任何形式的常規地用於控制動力裝置90的計算機化 控制系統，而不論其形式是硬體、軟體或其結合。在這方面，應該理解的是，控制器102可包 括各種用於控制動力裝置90的不同功能，為了清楚而未示出這些功能。按照本發明的實施 例，控制器102還配置成提供上述停機技術。為了實現這些功能，控制器102可包括建模裝 置130，該建模裝置包括任何目前已知的或以後開發的用於建模的系統，該系統可包括機載 循環模型、簡化關聯(OCMSC)系統，如用以對難以測量的參數如點火溫度進行建模的先進 實時發動機模擬器(ARES)。模型132可包括目標燃料空氣比曲線134和目標速度規程136。 控制器102還可包括燃料流量控制器140、可包括誤差確定裝置152和起動系統控制154的 轉子速度控制器150、以及神經網絡160。
在操作中，建模裝置130對具體燃氣渦輪100的操作進行建模以制定目標燃料空 氣比曲線134。在一個實施例中，建模裝置130對操作進行建模以便最大限度地減小停機變 化。目標燃料空氣比曲線134包括在一段時間內的理想的燃料空氣比的規程，如果實施該 規程，則將獲得理想曲線。希望對燃料空氣比進行建模以提高控制的準確性。然而，可基於 其它參數如燃料流量WF、壓縮機排放壓力、入口壓降、排氣溫度等以已知方式估計燃料空氣 比。如果需要，可使用建模裝置130在一定溫度範圍內使燃料空氣比歸一化。在一個實施例中，為了實現目標燃料空氣比曲線134，控制器102的燃料流量控制 器140以轉子速度N為函數來控制空氣流量A和/或燃料流量WF(按需增加或減小A和/ 或Wf)。燃料流量控制器140可對確定空氣流量A和/或燃料流量Wf的多個閥、導葉、泵等 中的任何一個發出指令。在需要的情況下，也可採用其它參數的控制。與僅減小燃料流量 Wf並允許燃氣渦輪的操作不受控制地偏離的常規技術相比，基於燃料空氣比曲線對停機的 控制更精確地控制停機。從而，可更好地控制循環溫度、排放率、零件壽命、間隙等。在另一實施例中，建模裝置130對具體燃氣渦輪100的操作進行建模以制定目標 速度規程136(即，在一定時間段內的理想轉子速度N的規程)。目標速度規程136可配置 成獲得指定的停機持續時間。控制器102通過接合起動系統114以轉動轉子110而控制在 停機期間的轉子速度N。在大多數情況下，控制器102將命令物理地減慢轉子110的減速； 儘管根據需要優化之處也可能希望增加減速率或增加轉子110的速度。以這種方式控制停 機的持續時間在其從全速減速至「盤車速度」的時間上提供了更大的可預測性。這種類型 的控制還由於更好地控制了零件暴露於熱負荷和機械負荷而使得更容易準確地預測零件 壽命ο可容易地將這種技術引入常規的起動系統114(LCI)控制方案中。具體地，轉子 速度控制器150，其藉助於可為起動系統114的一部分的起動系統控制154，可根據配置成 獲得目標速度規程的標稱起動系統規程來控制起動系統114的扭矩輸出。可以理解，起動 系統114的扭矩輸出為轉子110的轉動提供動力。說明性的標稱起動系統規程在圖2中顯 示為當前起動系統IH(LCI)的輸入與速度的關係。轉子速度控制器150的誤差確定裝置 152可從目標速度規程136(即，在指定的停機時間)確定轉子110的實際速度N與目標速 度Ntog之間的誤差Νε 。可使用任何目前已知或以後開發的方案如紅外線傳感器等測量轉 子速度N。轉子速度控制器150通過對轉子110的轉動提供動力而經由起動系統控制154 控制起動系統114，以校正誤差Ne 。轉子速度控制器150可通過在標稱起動系統規程(圖 2)中任何適當的部分引入電流定標器(current scaler)而實現這種校正。在需要的情況 下，由轉子速度控制器150執行的起動系統電流定標可包括額定極限以調節電流改變的尺 度，並且可包括箝位電路(clamp)以指示電流可改變的最大量。除了上述操作以外，可採用神經網絡160，以基於歷史性能改進停機控制。神經網 絡160可採用任何目前已知的或以後開發的人工智慧或數值技術。在一個實施例中，神經 網絡160可用來基於歷史性能調節包括目標燃料空氣比曲線134和/或目標速度規程136 的模型132。另外，也可調節任一曲線以優化某些停機特徵，如循環溫度、排放率、零件壽命、 間隙等。用語「第一」、「第二」等在文中不表示任何次序、數量或重要性，而是用來將一個元 件與另一個元件進行區分，且用語「一」和「一個」在文中不表示數量的限制，而是表示存在至少一個所引用的項目。結合數量使用的修飾語「約」包含了述及的值並具有上下文所指 定的含義，(例如，包括與具體數量的測量相關的誤差程度)。如文中所用，後綴(S)意圖包 括其修飾的用語的單數和複數二者，從而包括一個或多個該用語(例如，Hietal(S)包括一 種或多種金屬)。 雖然文中描述了各種實施例，但從本說明書應該理解的是，本發明中的元件的各 種結合、變型或改進可由本領域技術人員作出，且它們處於本發明的範圍內。另外，可對本 發明的教導作出許多修改以適應具體情形或材料而不脫離本發明的實質範圍。因此，本發 明並不意圖局限於作為為實施本發明而預期的最佳模式公開的具體實施方式
，而是將包括 落在權利要求的範圍內的所有實施方式。
權利要求
一種燃氣渦輪(100)，包括轉子(110)；以及控制器(102)，通過控制空氣流量、轉子(110)速度或燃料流量中的至少一個來控制所述燃氣渦輪(100)的停機，以最大限度地減小停機變化。
2.根據權利要求1所述的燃氣渦輪，其特徵在於，所述控制器(102)基於目標燃料空氣 比曲線(134)控制所述停機。
3.根據權利要求2所述的燃氣渦輪，其特徵在於，所述燃氣渦輪還包括神經網絡 (160)，所述神經網絡(160)基於歷史性能調節所述目標燃料空氣比曲線。
4.根據權利要求1所述的燃氣渦輪，其特徵在於，所述控制器(102)以所述轉子(110) 速度為函數控制所述燃料流量。
5.根據權利要求1所述的燃氣渦輪，其特徵在於，所述燃氣渦輪還包括發電機(112)， 所述發電機(112)包括聯接在所述轉子(110)上以驅動所述轉子(110)轉動的起動系統 (114)，其中，所述控制器(102)通過接合所述起動系統(114)以轉動所述轉子(110)而在所 述停機期間控制所述轉子(110)速度。
6.根據權利要求5所述的燃氣渦輪，其特徵在於，所述控制器(102)根據目標速度規程 (136)控制所述轉子(110)速度，以獲得指定的停機持續時間。
7.根據權利要求6所述的燃氣渦輪，其特徵在於，所述燃氣渦輪還包括神經網絡 (160)，所述神經網絡(160)基於歷史性能調節所述目標速度規程(136)。
8.根據權利要求6所述的燃氣渦輪，其特徵在於，所述控制器(102)通過以下方式控制 所述轉子(110)速度根據配置成用以獲得所述目標速度規程的標稱起動系統(114)規程來控制所述起動 系統(114)的扭矩輸出；確定所述轉子(110)的實際速度與所述目標速度規程之間的誤差；以及控制所述起動系統(114)的扭矩輸出，以校正所述誤差。
9.根據權利要求5所述的燃氣渦輪，其特徵在於，所述起動系統(114)包括負載換相式 變頻器(LCI)。
10.一種燃氣渦輪(100)，包括轉子(110)；發電機(112)，包括聯接在所述轉子(110)上的起動系統(114)以驅動所述轉子(110) 的轉動；以及控制器(102)，用於根據目標速度規程(136)控制轉子(110)速度以獲得所述燃氣渦 輪(100)的指定的停機持續時間，所述控制器(102)通過接合所述起動系統(114)以轉動 所述轉子(110)而控制所述轉子(110)速度。
11.根據權利要求10所述的燃氣渦輪，其特徵在於，所述控制器(102)還基於目標燃料 空氣比曲線(134)控制所述停機。
12.根據權利要求11所述的燃氣渦輪，其特徵在於，所述目標燃料空氣比曲線(134)基 於模型(132)。
13.根據權利要求12所述的燃氣渦輪，其特徵在於，所述燃氣渦輪還包括神經網絡(160)，所述神經網絡(160)基於歷史性能調節所述模型(132)。
14.根據權利要求10所述的燃氣渦輪，其特徵在於，所述控制器(102)通過以下方式控 制所述轉子(110)速度產生標稱起動系統(114)規程，以獲得用於所述轉子(110)速度的理想減速曲線； 確定所述轉子(110)的實際速度與所述目標速度規程之間的誤差；以及 控制所述起動系統(114)的扭矩輸出以校正所述誤差。
15.根據權利要求10所述的燃氣渦輪，其特徵在於，所述燃氣渦輪還包括神經網絡 (160)，所述神經網絡(160)基於歷史性能調節所述目標速度規程(136)。
16.一種方法，包括通過控制以下中的至少一個而控制燃氣渦輪(100)的停機 用以獲得目標燃料空氣比曲線(134)的空氣流量， 用以獲得所述目標燃料空氣比曲線(134)的燃料流量，或根據配置成用以獲得指定的停機持續時間的目標速度規程(136)的轉子(110)速度。
17.根據權利要求16所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括提供神經網絡(160)， 以及使用所述神經網絡(160)以基於歷史性能調節所述目標燃料空氣比曲線(134)和所述 目標速度規程(136)中的至少一個。
18.根據權利要求16所述的方法，其特徵在於，所述轉子(110)速度控制包括 產生標稱起動系統(114)規程以獲得用於所述轉子(110)速度的理想減速曲線； 確定所述轉子(110)的實際速度與所述目標速度規程之間的誤差；以及控制所述起動系統(114)的扭矩輸出以校正所述誤差。
全文摘要
本發明涉及燃氣渦輪停機。具體而言，燃氣渦輪(100)包括轉子(110)和控制器(102)，控制器(102)基於目標燃料空氣比曲線(134)來控制燃氣渦輪(100)的停機和/或根據目標速度規程(136)來控制轉子(110)速度來獲得指定的停機持續時間。控制器(102)通過接合起動系統(114)來使轉子(110)旋轉而控制轉子(110)速度。
文檔編號F01D21/00GK101881186SQ20101017516
公開日2010年11月10日 申請日期2010年4月30日 優先權日2009年5月4日
發明者D·A·斯奈德, H·L·小喬丹 申請人:通用電氣公司