燃燒基準溫度估算的製作方法
2023-04-29 14:10:36
專利名稱：燃燒基準溫度估算的製作方法
技術領域：
本發明的實施例主要涉及渦輪機，並且更具體地涉及用於估算諸如燃氣輪機的渦輪機器中的燃燒基準溫度(CRT)的方法、系統以及程序產品。
背景技術：
CRT通常在燃氣輪機控制方案中用作在燃氣輪機操作期間對燃料進行分級和調度的依據。分級涉及啟用和/或停用採用多條燃料迴路的燃氣輪機上的各種燃料迴路。分級的改變通常稱為模式轉換。調度燃料迴路分流涉及確定由各啟用的燃料迴路所輸送的總體燃料質量流的分流。CRT通常使用基於多個測量輸入(例如，壓縮機排出壓力、壓縮機排出溫度和/或渦輪排氣溫度)的由經驗導出的模型來估算。估算的CRT表示對燃氣輪機內部溫度的估值，其將包括各種誤差成分。例如，為了簡便和適用性廣泛，常規的由經驗導出的模型需要犧牲其在整個環境和操作狀況中估算的準確度。此外，此類常規模型的靜態性質並未考慮物理變化或差異，例如，可能存在於不同單元之間以及給定單元的整個壽命期間的那些。通常，穩態狀況的常規模型預測並未考慮熱瞬變期間的熱傳遞。常規模型的這些和其它局限性導致CRT估算不準確和不適當地調度燃料分流和模式轉換，從而潛在地導致燃燒操作性問題。
發明內容
本發明的實施例提供了用於改善燃燒基準溫度(CRT)估算準確度的方法、系統以及程序產品。在本發明的一些實施例中，使用高保真度、基於物理的模型實現了這種改善的準確度，從而提供了優於傳統CRT估算方法的許多優點。在一個實施例中，本發明提供了一種估算燃氣輪機中的燃燒基準溫度(CRT)的方法，該方法包括獲得燃氣輪機至少一個動態操作狀況的測量值(measurement)，該操作狀況選自由以下各項所構成的組環境狀況、壓縮機狀況、燃料狀況，以及渦輪狀況；將至少一個操作狀況的測量值輸入基於物理的模型中；使用基於物理的模型來計算對於燃氣輪機的至少一個估算內部狀態(state)；以及基於至少一個燃氣輪機內部狀態來計算估算的 CRT。在另一個實施例中，本發明提供了一種用於估算燃氣輪機中的燃燒基準溫度 (CRT)的系統，該系統包括計算裝置；用於獲得燃氣輪機至少一個動態操作狀況的測量值的測量裝置，該操作狀況選自由以下各項所構成的組環境狀況、壓縮機狀況、燃料狀況，以及渦輪狀況；用於將至少一個操作狀況的測量值輸入基於物理的模型中的輸入裝置；用於使用基於物理的模型計算對於燃氣輪機的至少一個估算內部狀態的計算器；以及用於基於至少一個燃氣輪機內部狀態來計算估算的CRT的計算器。在又一個實施例中，本發明提供了一種儲存在計算機可讀儲存介質上的程序產品，其在執行時，估算燃氣輪機中的燃燒基準溫度(CRT)，該程序產品包括用於獲得燃氣輪機至少一個動態操作狀況的測量值的程序代碼，該操作狀況選自由以下各項所構成的組環境狀況、壓縮機狀況、燃料狀況，以及渦輪狀況；用於將至少一個操作狀況的測量值輸入基於物理的模型中的程序代碼；用於使用基於物理的模型計算對於燃氣輪機的至少一個估算內部狀態的程序代碼；以及用於基於至少一個燃氣輪機內部狀態來計算估算的CRT 的程序代碼。在再一個實施例中，本發明提供了一種操作渦輪機器的方法，該方法包括獲得燃氣輪機至少一個動態操作狀況的測量值，該操作狀況選自由以下各項所構成的組環境狀況、壓縮機狀況、 燃料狀況，以及渦輪狀況；將至少一個操作狀況的測量值輸入基於物理的模型；使用基於物理的模型計算對於燃氣輪機的至少一個估算內部狀態；基於至少一個燃氣輪機內部狀態來計算估算的CRT ；以及基於CRT來調度以下中的至少一個燃料迴路分流或燃燒模式轉換。
根據本發明各方面的以下詳細描述並結合描繪本發明各種實施例的附圖，將更容易地理解本發明的這些及其它特徵，在附圖中圖1示出了使用常規估算方法在變化的環境溫度下的燃燒基準溫度(CRT)誤差的坐標圖。圖2示出了使用常規估算方法在標稱單元和劣化單元中的CRT誤差的坐標圖。圖3示出了考慮瞬變效應和未考慮瞬變效應的在燃氣輪機加載和卸載期間計算的CRT的坐標圖。圖4示出了 CRT估算的熱傳遞速率效果的坐標圖。圖5示出了根據本發明實施例的系統的簡圖。圖6示出了根據本發明實施例的方法的流程圖。注意的是，本發明的附圖並未按比例。附圖僅意圖描繪本發明的典型方面，且因此不應視作為對本發明的範圍進行限制。在附圖中，相似的標號表示附圖間相似的元件。零件清單90 環境92渦輪機器94渦輪系統96發電機102計算機基礎結構104計算裝置106基於物理的控制系統112存儲器114 處理器(PU)116 輸入 / 輸出(I/O)接口118 總線120 外部 I/O 裝置 / 設備(resource)122儲存系統
IM(CRT)控制方案150其它系統構件
具體實施例方式本發明的實施例依靠高保真度的基於物理的模型改善了在燃氣輪機中估算CRT 的準確度，從而提供了優於傳統CRT估算方法的許多優點。單獨利用高保真度的基於物理的模型產生了益處。該模型能夠較好地模擬燃氣輪機的複雜物理過程，且更為準確地模擬寬廣範圍的操作狀況(例如，負載)和變化下的內部燃氣輪機狀態，其中，該變化包括內部(例如，製造變化和劣化)變化和外部(環境狀況) 變化。在本發明的一個實施例中，一種方法包括使用在GE控制系統中採用的自適應性實時發動機模擬(AREQ，且提供了改善的總體準確度。這種改善的部分是由於與傳統CRT計算的四個輸入相比，ARES模型輸入的數目增加了一個數量級。通過考慮將附加變量作為輸入， 模型的準確度相比於利用較少的輸入而言得到改善。準確度的改善可為至少一個數量級。 例如，參見圖1，其示出了傳統CRT估算方法在各種負載和環境溫度下的相對誤差程度。附加的改進在於利用了自適應的模型，S卩，該模型利用一個或多個輸入來主動地實時調節控制器模型，以便匹配給定調節輸入的響應。因此，該模型並非僅是表示平均單元，而是經調節用以匹配處於其當前狀態的當前單元。在給定單元與單元和在產品壽命上兩者的環境變化和燃氣輪機內部變化的情況下，結果是改善了任何估算輸出信號的準確度。例如，參見圖2，其示出了在輸出範圍內的傳統CRT估算方法在標稱單元和劣化單元中的差異。由本發明實施例提供的另一優點在於模擬瞬變效應，而非如在公知方法中那樣僅是穩態效果。一種瞬變效應是在工作流體與燃氣輪機之間引起的熱傳遞。熱瞬變事件的實例包括負載變化和電網頻率事件。取決於瞬變事件，能量可傳遞至工作流體或自工作流體傳遞，從而影響燃氣輪機的真實內部狀態。通過模擬熱傳遞，內部狀態的準確度如CRT那樣在瞬變事件期間得到改善。例如，圖3示出了當考慮瞬變效應和不考慮瞬變效應時在燃氣輪機的加載和卸載期間的估算CRT的坐標圖。如可看到的那樣，未考慮瞬變效應導致低估加載期間的CRT，以及高估卸載期間的CRT。已觀察到的是，該誤差通過利用熱傳遞模型而減少一個或兩個數量級，這取決於熱瞬變事件的嚴重性。圖4示出了有關估算CRT的熱傳遞速率效果的坐標圖。單獨的各所述因素，以及它們的組合改善了 CRT估算的準確度。這樣改善的CRT 準確度導致提高了燃料分流的分級和調度的準確度，這繼而又改善了燃燒器的操作性和穩健性。在本發明的一個實施例中，一個或多個動態操作狀況可進行測量並輸入到基於物理的模型中，以估算燃氣輪機的CRT。如文中所用，動態操作狀況為變化的且受測量影響的操作狀況。通常，在本發明上下文中的動態操作狀況可在短時段期間如在數分鐘或數秒的時段內變化。例如，這些操作狀況可包括環境狀況、壓縮機狀況、燃料狀況和/或渦輪狀況。 例如，環境狀況可包括環境溫度、環境壓力、環境溼度和/或環境空氣密度。例如，壓縮機狀況可包括壓縮機入口溫度、壓縮機入口壓力、壓縮機入口空氣密度、壓縮機排出溫度、壓縮機排出壓力、入口導葉位置、壓縮機空氣流狀況、壓縮機抽氣流狀況和/或入口放洩熱流狀況。例如，燃料狀況可包括燃料質量流、燃料溫度、燃料密度、燃料熱值和/或燃料成分。例如，渦輪狀況可包括渦輪排氣溫度、渦輪排氣壓力、渦輪排氣氣體密度和/或渦輪軸速度。 在本發明的一些實施例中，渦輪狀況為熱瞬變(即，渦輪內熱傳遞的量度)。以上陳述提供了實例而非詳盡列表。圖5示出了對於渦輪機器92的示範性環境90的示意圖。如圖所示，渦輪機器92 包括聯接到發電機96上的渦輪系統94。理解的是，各部分均可包括任何現在公知或以後開發出的針對其操作所需的結構。例如，渦輪系統94可包括具有任意數目的低壓區段、中壓區段或高壓區段的燃氣渦輪和/或蒸汽渦輪等。環境90包括計算機基礎結構102，其可執行文中關於控制方案所述的各種工藝步驟。具體而言，計算機基礎結構102示為包括計算裝置104，該裝置104包括基於物理的控制系統106，其使計算裝置104能夠通過執行本公開內容的工藝步驟來執行基於物理的控制方案。理解的是，基於物理的控制系統106包括許多其它系統/模塊，以便基於針對渦輪機器92的模擬技術來執行任何現在公知或以後開發出的控制系統。計算裝置104示為包括存儲器112、處理器(PU) 114、輸入/輸出(I/O)接口 116， 以及總線118。此外，計算裝置104示為與外部I/O裝置/設備120和儲存系統122通信。 如本領域中公知的那樣，通常，處理器114執行電腦程式代碼，例如基於模型的控制系統 106，其儲存在存儲器112和/或儲存系統122中。在本發明的一些實施例中，處理器114 可用於計算估算的CRT。當執行電腦程式代碼時，處理器114可從存儲器112、儲存系統 122和/或I/O接口 116讀取數據和/或將數據寫入存儲器112、儲存系統122和/或I/O 接口 116，例如溫度數據或壓力數據。總線118提供在計算裝置104中各構件之間的通信鏈路。I/O裝置120可包括能使用戶與計算裝置104互相作用的任何裝置，或使計算裝置104 能夠與一個或多個其它計算裝置通信的任何裝置。輸入/輸出裝置(包括但不限於鍵盤、 顯示器、指示裝置等)可直接地或經由介入的I/O控制器聯接到系統上。在本發明的一些實施例中，I/O裝置120可包括用於測量渦輪系統94的動態操作狀況的測量裝置，以及/或者用於將此種動態操作狀況的測量值輸入包含在計算裝置104 內的方案中的輸入裝置。在任何情況下，計算裝置104都可包括能夠執行由用戶安裝的電腦程式代碼的任何通用計算製品(例如，個人計算機、伺服器、手持式裝置等)。然而，理解的是，計算裝置104和基於物理的控制系統106僅表示可執行本公開內容的各種工藝步驟的各種可能同等的計算裝置。對此，在其它實施例中，計算裝置104可包括含有用於執行特定功能的硬體和/或電腦程式代碼的任何專用計算製品、含有專用和通用硬體/軟體的組合的任何計算製品等。在各種情況下，程序代碼和硬體可分別使用標準編程和工程技術來產生。當執行時，根據本發明實施例的程序產品的技術效果為估算燃氣輪機中的CRT。該技術效果的實現例如可通過獲得燃氣輪機的至少一個動態操作狀況的測量值，該操作狀況選自由以下各項所構成的組環境狀況、壓縮機狀況、燃料狀況，以及渦輪狀況；使用基於物理的模型來計算對於燃氣輪機的至少一個估算內部狀態，上述至少一個動態操作狀況的測量值輸入到該基於物理的模型中；以及基於該至少一個燃氣輪機內部狀態來計算估算的 CRT。類似的是，計算機基礎結構102僅表示用於執行本公開內容的各種類型的計算機基礎結構。例如，在一個實施例中，計算機基礎結構102包括兩個或多個計算裝置(例如， 伺服器群集)，其在任何類型的有線和/或無線通信鏈路如網絡、共享存儲器等上通信，以便執行本公開內容的各種工藝步驟。當通信鏈路包括網絡時，該網絡可包括一種或多種網絡的任何組合(例如，國際網際網路、廣域網、區域網、虛擬專用網絡等)。網絡適配器還可耦接到系統上，以便使數據處理系統能夠通過介入的專用網絡或公共網絡而耦接到其它數據處理系統或遠程印表機或儲存裝置上。數據機、線纜數據機和乙太網卡只是當前可用類型的網絡適配器中的一些。不管怎樣，計算裝置之間的通信都可使用各種類型的傳輸技術的任何組合。如前文提到且下文進一步描述的那樣，基於物理的控制系統106使計算基礎結構 102尤其能夠執行本文所述的控制方案。對此，基於物理的控制系統106示為包括燃燒基準溫度(CRT)控制方案134。下文進一步描述了這些方案以及相關的方法和系統中各個的操作。然而，理解的是，圖5中示出的方案可獨立地執行、組合和/或儲存在用於包括在計算機基礎結構102中的一個或多個單獨計算裝置的存儲器中。此外，理解的是，所述方案和 /或功能性中的一些不能執行，或附加的方案和/或功能性可作為環境90的一部分而被包括。CRT控制方案134使用基於物理的模型，並使用一個或多個動態狀況如上文所述的那些來估算CRT。更為準確的CRT改善了調度燃燒器分流和模式轉換的準確度，從而避免了燃燒器操作性問題。這例如有益於具有緊密(或密封)燃燒操作性窗口的燃氣輪機產品，以及調度此類燃燒器分流和模式轉換對於避免燃燒操作性問題和改善燃燒器操作的穩健性很關鍵。即是說，更為準確的CRT估算容許較少的折衷，且改善了排放、性能以及燃燒器的操作性。在不具有足夠的窗口來容許管理CRT估算不準確度的產品中，CRT控制方案 134提供了穩健的解決方案。CRT控制方案134還容許開發和使用為了排放和性能益處而需要改善調度準確度的新產品。CRT控制方案134不需要直接燃燒器邊界模型，且因此可以較少努力來執行。在此情況下，利用ARES的CRT控制方案134，真實邊界是在取決於CRT準確度的預定燃料分流調度中是固有的。該方法可補充也不具有直接邊界模型的燃燒模式中的常規方法。CRT控制方案134還可以互補方式結合當前由經驗導出的模型使用，從而容許實況測量來調節燃氣輪機模型，以便調節的模型存在且可在測量故障的情況下使用。圖6示出了根據本發明實施例的方法的流程圖。該方法將在此描述為應用於燃氣渦輪，但該方法類似地可應用於如上文提到的其它裝置。在Si，獲得燃氣輪機的一個或多個動態操作狀況的測量值。如本文所用，"獲得"、「獲取"以及類似用語是指包括通過測量直接獲得，以及傳輸、接收和/或採集以其它方式產生的測量值。如上文所述，此類動態操作狀況例如可包括環境狀況、壓縮機狀況、 燃料狀況和/或渦輪狀況。在S2，將在Sl所獲得的測量值輸入基於物理的模型中，且在S3將其用於計算燃氣渦輪的一個或多個估算內部狀態。在S4，在S3所計算的估算值用於計算估算的CRT。在 S5，使用S4的估算CRT來確定如上文所述的燃料分級模式和/或燃料迴路分流。如本領域的普通技術人員將認識到的那樣，本文所述的控制方案可體現為系統、 方法或電腦程式產品，例如，作為對於渦輪機器的總體控制系統的一部分。因此，本發明的實施例可採取以下形式完全硬體實施例、完全軟體實施例(包括固件、常駐軟體、微代碼等)或結合軟體和硬體的方面的實施例，它們所有在文中通常都可稱為"電路"、「模塊"或"系統"。此外，本發明可採取包含在任何有形表現介質中的電腦程式產品的形式，該有形表現介質具有包含在該介質中的計算機可用程序代碼。一個或多個計算機可用或計算機可讀介質的任何組合都可使用。計算機可用或計算機可讀介質例如可為但不限於電子、磁性、光學、電磁、紅外線或半導體系統、設備、裝置或傳播介質。計算機可讀介質的更具體的實例(非詳盡列表)將包括以下具有一條或多條線纜的電接頭、可攜式計算機磁碟、硬碟、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、 可擦可編程只讀存儲器(EPR0M或閃速存儲器)、光學纖維、可攜式壓縮光碟只讀存儲器 (CD-ROM)、光學儲存裝置、傳輸介質如支持國際網際網路或內部網的那些，或磁儲存裝置。注意，計算機可用或計算機可讀介質甚至可為紙張或程序印製在其上的其它適合的介質，因為程序例如可通過對紙張或其它介質的光學掃描而以電子方式俘獲，如果需要的話，然後編譯、轉譯或以適合的方式進行其它處理，且然後儲存在計算機存儲器中。在本文件的上下文中，計算機可用或計算機可讀介質可為能包含、儲存、傳輸、傳送或輸送程序以便由指令執行系統、設備或裝置使用或結合其使用的任何介質。計算機可用介質可包括傳送的數據信號，而計算機可用程序代碼在基帶中或作為載波的一部分而實現為與其相結合。計算機可用程序代碼可使用任何適合的介質傳輸，包括但不限於無線、有線、光纖線纜、RF等。用於執行本發明的操作的電腦程式代碼可以一種或多種程式語言的任何組合寫入，這些程式語言包括面向對象程式語言，如Java、Smalltalk, C++等，以及常規過程程式語言，如"C"程式語言或類似的程式語言。程序代碼可完全在用戶的計算機上執行、作為獨立軟體包而部分地在用戶的計算機上執行、部分地在用戶的計算機上且部分地在遠程計算機上執行，或完全地在遠程計算機或伺服器上執行。在後一方案中，遠程計算機可經由任何類型的網絡而連接到用戶的計算機上，這些網絡包括區域網(LAN)或廣域網(WAN)， 或該連接可相對於外部計算機而產生(例如，通過使用國際網際網路服務提供商的國際網際網路)。參照根據本發明實施例的方法、設備(系統)和電腦程式產品的流程圖和/或框圖在文中描述了本發明的實施例。將會理解的是，流程圖和/或框圖中的各框，以及流程圖和/或框圖中框的組合，都可由電腦程式指令執行。這些電腦程式指令可提供給通用計算機、專用計算機或其它可編程序數據處理設備的處理器來製造機器，以便通過計算機或其它可編程序數據設備的處理器執行的指令產生用於執行流程圖和/或框圖的一個或多個框中指定的功能/動作的裝置(means)。這些電腦程式指令還可存儲在計算機可讀介質中，該介質可指導計算機或其它可編程數據處理設備來以特定方式起作用，使得儲存在計算機可讀介質中的指令產生包括指令裝置的製品，該指令裝置執行流程圖和/或框圖的一個或多個框中所指定的功能/動作。電腦程式指令還可加載到計算機或其它可編程數據處理設備上，以便形成將在計算機或其它可編程設備上執行的一系列操作步驟，從而產生計算機執行的處理，使得在計算機或其它可編程設備上執行的指令提供用於實現流程圖和/或框圖的一個或多個框中所指定的功能/動作。
本文所用的措辭僅是為了描述特定實施例的目的，而非意圖限制本公開內容。如本文所用，單數形式"一"、「一個"，以及"該"，除非上下文另外清楚地指出，否則是指還包括複數形式。還將理解到的是，用語"包括"和/或"包含"當用於本說明書中時，表示存在所述的特徵、整數、步驟、操作、元件和/或構件，但並未排除一個或多個其它特徵、 整數、步驟、操作、元件、構件和/或它們的組合的存在或添加。本書面說明使用了包括最佳模式的實例來公開本發明，且還使本領域的普通技術人員能夠實施本發明，包括製作和使用任何裝置或系統以及執行任何相關或相結合的方法。本發明可取得專利的範圍由權利要求限定，並且可包括本領域的普通技術人員所構思出的其它實例。如果這些其它實例具有與權利要求的文字語言並無不同的結構元件，或者如果這些其它實例包括與權利要求的文字語言無實質差異的同等結構元件，則認為這些實例落在權利要求的範圍之內。
權利要求
1.一種估算燃氣輪機中燃燒基準溫度(CRT)的方法，所述方法包括獲得所述燃氣輪機的至少一個動態操作狀況的測量值，所述操作狀況選自由以下各項所構成的組環境狀況、壓縮機狀況、燃料狀況，以及渦輪狀況； 將所述至少一個操作狀況的測量值輸入基於物理的模型中； 使用所述基於物理的模型來計算對於所述燃氣輪機的至少一個估算內部狀態；以及基於所述至少一個燃氣輪機內部狀態來計算估算的CRT。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括基於所述估算的CRT來執行以下中的至少一個確定燃料分級模式或確定燃料迴路分流。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述環境狀況選自由以下各項所構成的組環境溫度、環境壓力、環境溼度、環境空氣密度，以及它們的組合。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述壓縮機狀況選自由以下各項所構成的組壓縮機入口溫度、壓縮機入口壓力、壓縮機入口空氣密度、壓縮機排出溫度、壓縮機排出壓力、壓縮機排出空氣密度、入口導葉位置、壓縮機空氣流狀況、壓縮機抽出流狀況、入口放洩熱流狀況，以及它們的組合。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述燃料狀況選自由以下各項所構成的組燃料質量流、燃料溫度、燃料密度、燃料熱值、燃料成分，以及它們的組合。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述渦輪狀況選自由以下各項所構成的組渦輪入口溫度、渦輪入口壓力、渦輪入口氣體密度、渦輪排氣溫度、渦輪排氣壓力、渦輪排氣氣體密度、渦輪軸速度，以及它們的組合。
7.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述基於物理的模型為自適應的。
8.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述基於物理的模型包括瞬變熱傳遞模型。
全文摘要
本發明涉及燃燒基準溫度估算。具體而言，提供了用於改善燃燒基準溫度(CRT)估算的準確度的方法、系統和程序產品。在一個實施例中，本發明提供了一種估算燃氣輪機中的燃燒基準溫度(CRT)的方法，該方法包括獲得燃氣輪機至少一個動態操作狀況的測量值，所述操作狀況選自由以下各項所構成的組環境狀況、壓縮機狀況、燃料狀況，以及渦輪狀況；將至少一個操作狀況的測量值輸入基於物理的模型；使用基於物理的模型來計算對於燃氣輪機的至少一個估算內部狀態；以及基於至少一個燃氣輪機內部狀態來計算估算的CRT。
文檔編號F02C9/26GK102418605SQ20111017348
公開日2012年4月18日 申請日期2011年6月10日 優先權日2010年9月24日
發明者D·S·尤恩斯, M·W·平森 申請人:通用電氣公司