用於控制流到渦輪機構件的燃料流的系統和方法

2023-05-05 19:32:31 2

專利名稱：用於控制流到渦輪機構件的燃料流的系統和方法
技術領域：
本發明的實施例一般地涉及渦輪機，並且更具體而言，涉及用於控制流到渦輪機 或渦輪機構件的燃料流(fuel flow)的系統、方法以及裝置。
背景技術：
燃氣輪機和其它類型的渦輪機在多種各樣的應用中使用，例如在用於動力產生的 動力裝置中。在燃氣輪機的操作期間，典型地將可壓縮燃料(例如氣體燃料)的供應作為 燃料提供給燃燒器，燃燒器點燃氣體以提供動力從而使渦輪旋轉。氣體典型地由一個或多 個導管或通道供應到燃燒器，並且通過一個或多個導管的氣體的流動典型地由一個或多個 相應的控制閥控制。閥的定位典型地調節成控制供應到燃燒器的氣體量或氣體流。例如，閥可部分地 關閉以減少供應到燃燒器的氣體流。但是，由於氣體的可壓縮和/或氣體通過導管的放出， 因此存在這樣的瞬態時期，在該瞬態時期中，在控制閥處將流到燃燒器的氣體流調節到新 的氣體流水平。傳統的渦輪機控制系統典型地假定當調節閥時氣體流立即或幾乎立即被調 節為新的流。但是，因為傳統的渦輪機控制系統不考慮氣體的可壓縮，所以典型地在瞬態事 件期間逐步調節供應到燃燒器的氣體流。氣體流的這些逐步變化可導致在渦輪機內的效率 損失。另外，在一些情況(例如氣體流應快速減少的甩負荷(load rejection)情形)下， 氣體流的逐步變化可導致燃燒器中的火焰損失，或導致渦輪機構件磨損以及渦輪機構件生 命周期縮短。因此，需要一種用以控制流到燃燒器或渦輪機的其它構件的可壓縮燃料流的改進 的系統、方法以及裝置。還需要一種用以對提供給渦輪機的可壓縮燃料流建模的改進的系 統、方法以及裝置。

發明內容
上述需要和/或問題中的一些或全部可由本發明的某些實施例解決。本發明的實 施例可包括用於控制渦輪機中的燃料流的系統、方法、裝置以及電腦程式產品。根據本發 明的一個實施例，公開了一種用於控制渦輪機中的燃料流的方法。可監測與流到渦輪機構 件的燃料流相關聯的一個或多個參數。可至少部分地基於一個或多個監測參數來對燃料流 建模。可至少部分地基於燃料流的建模來將燃料流調節到目標流。根據本發明的另一個實施例，公開了一種用於控制流到渦輪機的燃料流的系統。 系統可包括一個或多個傳感器和一個或多個處理器。一個或多個傳感器可操作成監測與流 到渦輪機構件的燃料流相關聯的一個或多個參數。一個或多個處理器可操作成接收來自 一個或多個傳感器的測量數據，並且使用接收到的測量數據中的至少一部分來對燃料流建 模。一個或多個處理器還可操作成至少部分地基於燃料流的建模來將燃料流調節到目標 流。根據本發明的又一個實施例，公開了一種用於控制與流到渦輪機構件的燃料流相關聯的閥的方法。可測量與在閥的下遊的燃料流相關聯的數據。可至少部分地基於數據和 閥的一個或多個功能能力(capability)來預測燃料流的行為(behavior)。可至少部分地 基於燃料流的預測行為來調節閥的定位以改變燃料流。 通過本發明的各種實施例的技術來實現另外的系統、方法、裝置、特徵以及方面。 本發明的其它實施例和方面在本文中進行了詳細描述，並且被視為要求保護的發明的一部 分。可參考描述和附圖來理解其它實施例和方面。


因此在已概括地描述了本發明的情況下，現在將參照附圖，附圖未必是按比例繪製的，並且其中
圖1是可與本發明的各種實施例結合使用的一個實例燃氣輪機的截面圖。
圖2是根據本發明的一種說明性實施例的、可用於控制流到渦輪機的燃料流的一個實例系統的框圖。
圖3是根據本發明的一種說明性實施例的、用於控制流到渦輪機的燃料流的一個實例方法的流程圖。
圖4A-4B是示出了可通過本發明的各種實施例促進的燃料流的實例變化的圖表。
部件列表
100燃氣輪機
102進氣段
104壓縮機段
106燃燒段
108渦輪段
110排氣段
200系統
205燃料流段
210傳感器
215控制器
220燃料供應
225燃燒器燃燒室
230第一流道
232第二流道
234第三流道
236第四流道
238 截止比例閥(stop ratio valve)
240第一氣體控制閥
242第二氣體控制閥
251處理器
252存儲器
253 I/O 接口
254網絡接口
255測量數據
256數據
257作業系統
258燃料控制模塊
259燃料流模型
260歧管模型
261閥模型
262燃燒器模型
270外部控制系統
275數據源
280網絡
300方法
305框
310框
315框
320框
325框
330框
400圖表
405計算出的燃料流
410實際燃料流
415初始燃料流
420最終燃料流
425圖表
430計算出的燃料流
435實際燃料流
440初始燃料流
445燃料流
450最終燃料流
具體實施例方式現在將結合附圖在下文中更加全面地描述本發明的說明性實施例，在附圖中顯示 了本發明的一些實施例但非全部實施例。事實上，本發明可體現為許多不同的形式，並且本 發明不應理解為限於本文所闡述的實施例；相反，提供這些實施例以使得本公開將滿足可 適用的法律要求。類似的參考標號在整個附圖中表示類似的元件。公開了用於控制流到渦輪機或渦輪機構件的燃料流的系統、方法以及裝置。本發 明的各種實施例可包括有利於監測與流到渦輪機構件的燃料流(例如流到燃氣輪機的燃 燒器的氣體燃料流)相關聯的參數的一個或多個傳感器。一個或多個適當的控制單元可接收與監測的參數相關聯的測量數據，並且使用接收到的測量數據的至少一部分來對燃料 流建模。當對燃料流建模時，可考慮多種多樣的因素，例如，燃料的可壓縮性質和/或用來 控制燃料流的一個或多個閥的功能性。當期望燃料流變化時，一個或多個控制單元可至少 部分地基於燃料流的建模來將燃料流調節到目標流。由於對燃料流建模，可相對強烈地 (aggressively)調節和控制燃料流。就此而言，可以相對高效的方式實現對燃料流的調節。本發明的各種實施例可包括用於控制流到渦輪機構件或渦輪機的燃料流的一個 或多個專用計算機、系統和/或特定機器。如各種實施例中所期望的那樣，專用計算機或特 定機器可包括多種多樣的不同軟體模塊。如下面更加詳細地所解釋的那樣，在某些實施例 中，可使用這些各種軟體構件來提供對流到渦輪機構件或渦輪機以及/或者在渦輪機構件 或渦輪機內的燃料流的相對精確和穩定的行為表示。可使用行為表示或模型來控制燃料 流。例如，可使用行為表示或模型來相對強烈地促動或以別的方式控制有利於流到渦輪機 構件或渦輪機的燃料的供應的閥。本文描述的本發明的實施例可具有提供用於流到渦輪機構件、渦輪機或其它機器 的燃料的供應的控制的技術效果。另外，本發明的實施例可具有對流到渦輪機構件、渦輪機 或其它機器以及/或者在渦輪機構件、渦輪機或其它機器中的燃料流建模和/或預測的技 術效果。可使用對燃料流的建模和/或預測來控制和/或調節燃料流。本發明的實施例可與多種多樣的不同渦輪機和/或其它機器結合使用。圖1示出 了在其中可使用本發明的實施例的燃氣輪機100的一個實施例的截面圖。雖然圖1中示出 了燃氣輪機100，但是本發明的實施例可用於接收和/或使用可壓縮燃料供應或可壓縮流 的多種多樣的不同機器中，機器包括但不限於，燃氣輪機、蒸汽輪機以及用於各種航空、工 業和/或動力產生應用的其它渦輪機。例如，可使用本發明的實施例來控制蒸汽輪機內的 可壓縮蒸汽流。參照圖1，所示燃氣輪機100可包括進氣段102、壓縮機段104、燃燒器段106、渦輪 段108以及排氣段110。在一般的操作中，空氣可通過進氣段102進入，並且可在壓縮機段 104中被壓縮到預先限定或預先確定的壓力。來自壓縮機段104的壓縮空氣的至少一部分 可供應到燃燒器段106。在燃燒器段106中，壓縮空氣可與燃料混合，然後可燃燒混合的空 氣和燃料混合物。燃燒段106中的空氣和燃料混合物的燃燒可產生具有相對高的溫度和相 對高的壓力的熱氣。從燃燒段106出來的熱氣可在燃氣輪機100的渦輪段108中膨脹。渦 輪段108可將熱氣的能量轉換成旋轉能。在熱氣在渦輪段108中膨脹之後，可通過排氣段 110將相對低壓的熱氣從燃氣輪機100中送出。可將從排氣段110中出來的相對低壓的熱 氣送出到大氣、送出到聯合循環回收裝置、以及/或者送出到熱交換器的再循環管道。圖2是根據本發明的一種說明性實施例的、可用於控制流到渦輪機或渦輪機構件 的燃料流的一個實例系統200的框圖。系統200可包括燃料流段205、一個或多個傳感器 210以及控制器215。在一個實施例中，燃料流段205可操作成將燃料(例如可壓縮燃料) 提供給渦輪機或渦輪機構件。傳感器210可監測與燃料流相關聯的各種參數，並且將測量 數據提供給控制器215。控制器215可接收測量數據，並且對燃料流段205和渦輪機構件內 的燃料流建模。至少部分地基於對燃料流、促動器和/或閥特性的建模，控制器215可使用 燃料流段205中任何數量的閥來調節或以別的方式控制燃料流。燃料流段205可操作成將燃料(例如可壓縮燃料)提供給渦輪機或渦輪機構件。如圖2中所示，燃料流段205可將燃料從燃料供應220提供給適當的渦輪機構件，例如燃燒 器燃燒室225。如本發明的各種實施例中所期望的那樣，燃料供應220可為任何適當的燃料 供應和/或燃料源，例如導管送入式燃料供應(piped in supply of fuel)、燃料管線、燃料
儲罐等。燃料流段205可包括有利於將燃料從燃料供應220供應到燃燒器燃燒室225的任 何數量的適當的流道、導管和/或歧管。在圖2的實例實施例中，燃料流段205可包括第一 流道230、第二流道232、第三流道234以及第四流道236。可使用任何數量的適當的閥或類 似的設備來控制通過燃料流段205的流道的燃料流。例如，如圖2中所示，截止比例閥238、 第一氣體控制閥240以及第二氣體控制閥242可有利於控制通過燃料流段205的燃料流。 閥238，240，242可如所期望的那樣打開和/或關閉以控制燃料流。繼續參照圖2，燃料流可由第一流道230從燃料供應220中接收並且可通過截止比 例閥238提供給第二流道232。截止比例閥238可調節成在第二流道232中保持和/或試 圖保持相對恆定的壓力。例如，截止比例閥238可調節成試圖在第二流道中的燃料容積中 保持相對恆定的壓力。第二流道232可包括有利於將燃料流提供給多個渦輪機構件和/或 渦輪機構件內的多個位置的任何數量的分支和/或分岔。如圖2中所示，第二流道232可 包括有利於將燃料流提供給與燃燒器燃燒室225相關聯的兩個相應的入口的兩個分支。進一步參照圖2，第二流道232的各分支可與相應的控制閥相關聯。例如，第一控 制閥240可與第二流道232的第一分支相關聯，而第二控制閥242可與第二流道232的第 二分支相關聯。可使用控制閥240，242來控制在第二流道232的下遊提供的燃料量。例如， 可使用第一控制閥240來控制從第二流道232提供給第三流道234的燃料量，該第三流道 234可操作成將燃料提供給燃燒器燃燒室225的第一入口。類似地，可使用第二控制閥242 來控制從第二流道232提供給第四流道236的燃料量，該第四流道236可操作成將燃料提 供給燃燒器燃燒室225的第二入口。可如所期望的那樣調節各控制閥240，242，以控制允許 通過閥240，242的燃料量。例如，為了增加允許通過閥240，242的燃料量，閥240，242可調 節到比閥240，242的當前位置打開得更多的位置。作為另一個實例，為了減少允許通過閥 240,242的燃料量，閥240，242可調節到比閥240，242的當前位置關閉得更多的位置。如所 期望的那樣，可彼此獨立地控制閥240，242。例如，一個閥可打開，而另一個閥關閉，其中，結 果為燃料淨增加或淨減少。另外，在某些實施例中，閥238，240，242可包括控制閥238，240， 242的操作的一個或多個處理器或微處理器驅動的控制單元。如所期望的那樣，這些控制 單元可將與閥238，240，242相關聯的信息提供給系統200的其它構件，例如提供給控制器 215。如本發明的各種實施例中所期望的那樣，可將多種多樣的不同類型的燃料提供給 渦輪機和/或渦輪機構件。根據本發明的一個方面，燃料可為可壓縮燃料。可用於本發明 的各種實施例中的可壓縮燃料的一個實例為氣體燃料，例如天然氣。在一個實施例中，可將 氣體燃料供應到燃氣輪機的燃燒器。根據本發明的一個方面，當調節或改變燃料流時，可考慮燃料的可壓縮性質。當改 變控制燃料流的一個或多個閥時，可能花一段時間來將可壓縮燃料(例如天然氣)調節到 新的燃燒器燃料流水平。例如，如果通過將控制閥調節到關閉得更多的位置來降低燃料流， 則可能存在一定量的處於控制閥的下遊的流道中的過量燃料，並且可能花一些時間來將該過量燃料從流道中放出並且放出到燃燒器225中。作為另一個實例，如果通過將控制閥調 節到打開得更多的位置來增加燃料流，則可能花時間使足夠量的燃料流入控制閥下遊的流 道中並且達到適當的壓力，以實現進入燃燒器225中的期望流率。本發明的實施例可有利於對流到渦輪機或渦輪機構件的燃料流建模。例如，本發 明的各種實施例可對燃料流段205中的燃料的流動、燃料流段205的各種構件的操作、以及 /或者接收燃料的一個或多個渦輪機構件中的燃料的行為建模。如果並且當調節燃料流時， 可使用建模來預測燃料流的行為。在某些實施例中，如下面更加詳細地所解釋的那樣，當調 節燃料流時，可考慮對燃料流的建模。就此而言，可更加強烈地調節燃料流，以便實現對燃 料流的相對迅速的調節。在本發明的某些實施例中，燃料流的建模可至少部分地基於與燃料流相關聯的測 量數據。就此而言，可實時或幾乎實時地對燃料流建模。如所期望的那樣，可使用一個或多 個傳感器210來有利於監測燃料流和獲得與燃料流相關聯的測量數據。傳感器210可包括 有利於測量與流到渦輪機構件(例如渦輪機的燃燒器燃燒室225)的燃料流相關聯的各種 參數的任何數量的傳感器。如本發明的各種實施例中所期望的那樣，多種多樣的不同參數 可由傳感器210測量和/或監測。這些參數可與燃料流段205的各種構件相關聯，例如第 一流道230、第二流道232、第三流道234、第四流道236、截止比例閥238、控制閥240，242和 /或燃燒器燃燒室225。可在本發明的各種實施例中測量和/或監測的參數的實例包括但 不限於，與燃料流段205的一個或多個相應的構件中的燃料流相關聯的一個或多個壓力、 與燃料流段205的一個或多個相應的構件中的燃料流相關聯的一個或多個溫度、與閥238， 240,242相關聯的各種位置，和/或與接收燃料流的一個或多個渦輪機構件相關聯的各種 參數(例如與燃燒器燃燒室225的噴嘴相關聯的有效面積)。另外，可在本發明的各種實施 例中使用多種多樣的不同類型的傳感器。在某些實施例中，所使用的傳感器可至少部分地 基於所測得的和/或所監測的參數。例如，可使用適當的壓力傳感器來獲得壓力讀數，並且 可使用適當的溫度傳感器來獲得溫度讀數。另外，如本發明的各種實施例中所期望的那樣， 可對一個或多個所使用的傳感器210的傳感器響應建模，以進一步改進對可壓縮燃料流的 控制。傳感器210可測量與燃料流段205相關聯的各種參數，並且在某些實施例中，傳感 器210可將測量數據提供給控制器215。在一些實施例中，可實時或幾乎實時地將測量數 據提供給控制器215。另外，可通過任何數量適當的連接(例如直接的接線連接)將測量 數據提供給控制器215，在這些連接中將模擬和/或數字測量數據提供給與控制器215相 關聯的輸入接口。在將模擬測量數據提供給控制器215的實施例中，控制器215可使用一 個或多個適當的模數轉換器來將模擬數據轉換成可由控制器215處理的數字數據。作為可 有利於將測量數據從傳感器210傳送到控制器215的適當連接的其它實例，如所期望的那 樣，可使用一個或多個適當的網絡或網絡連接，例如區域網路、廣域網絡、網際網路、蜂窩網 絡(cellular network)、射頻(RF)網絡、藍牙網絡連接、Wi-Fi網絡連接、任何適當的有線 網絡連接、任何適當的無線網絡連接等。控制器215可為有利於對燃料流建模和/或至少部分地基於建模來調節燃料流的 處理器驅動的設備。例如，控制器215可包括任何數量的專用計算機或特定機器、專用電 路、可編程的邏輯控制器(PLC)、微控制器、個人計算機、微型計算機、大型計算機、超級計算機等。在某些實施例中，控制器215的操作可由計算機執行的或計算機實現的指令來控制， 這些指令由與控制器215相關聯的一個或多個處理器執行。如本發明的各種實施例中所期 望的那樣，指令可包含在一個或多個軟體構件中。指令的執行可形成可操作成對燃料流建 模和/或至少部分地基於建模來調節或控制燃料流的專用計算機或其它特定的機器。控制 控制器215的操作的一個或多個處理器可結合到控制器215中和/或通過一個或多個適當 的網絡與控制器215通信。在本發明的某些實施例中，控制器215的操作和/或控制可分 配在多個處理構件之中。控制器215可包括一個或多個處理器251、一個或多個存儲器252、一個或多個輸 入/輸出(「I/O」)接口 253以及一個或多個網絡接口 254。一個或多個存儲器252可為 任何適當的存儲器，例如，高速緩衝存儲器、只讀存儲器、隨機存取存儲器、磁存儲器等。一 個或多個存儲器252可存儲由控制器215使用的數據、可執行的指令和/或各種程序模塊， 例如測量數據255、與燃料流段205相關聯的數據256、作業系統257、燃料控制模塊258以 及一個或多個燃料流模型259。測量數據255可包括從一個或多個傳感器210接收到的任 何測量數據，例如壓力測量和/或溫度測量。數據256可包括與燃料流段205相關聯的任 何其它適當的數據，例如，從一個或多個閥238，240，242中接收到的數據，與一個或多個閥 238，240，242相關聯的存儲數據、從燃料流段205的其它構件中接收到的數據、與燃料流段 205的其它構件相關聯的存儲數據(例如流道的直徑、流道的長度等)、從一個或多個渦輪 機構件中接收到的數據、與一個或多個渦輪機構件相關聯的存儲數據、從一個或多個外部 控制系統270中接收到的數據、以及/或者從一個或多個數據源275中接收到的數據。操 作系統(OS) 257可包括有利於和/或控制控制器215的一般操作的可執行的指令和/或程 序模塊。例如，0S257可有利於由處理器251執行其它軟體程序和/或程序模塊。根據本發明的一個方面，控制器215可包括有利於對燃料流段205和/或各種渦 輪機構件內的燃料的行為和/或流動建模和/或預測的一個或多個燃料流模型259，或者控 制器215可與該一個或多個燃料流模型259相關聯。燃料流模型259可使用測量數據255 和/或數據256對燃料流段205內的燃料流建模。另外，燃料流模型259可對燃料流段205 的各種構件的行為和/或操作建模，例如閥238，240，242的行為和/或操作和/或所使用 的一個或多個傳感器210的傳感器響應。在某些實施例中，當從傳感器210中接收測量數 據時，可實時或幾乎實時地進行建模。如所期望的那樣，可使用建模來控制燃料流段205內 的燃料流。例如，燃料控制模塊258可使用由燃料流模型259提供的信息或數據，以通過調 節與燃料流段205相關聯的各種閥238，240，242來控制燃料流。由於在控制燃料流時使用 了由燃料流模型259提供的信息，所以燃料控制模塊258可以相對強烈的方式控制燃料流， 以獲得燃料流的更加迅速的變化。如本發明的各種實施例中所期望的那樣，可使用多種多樣的不同模型。如圖2中 所示，可使用歧管模型260、閥模型261和/或燃燒器模型262 ；但是，可使用任何數量的模 型。歧管模型260可對與燃料流段205相關聯的一個或多個歧管或流道內的燃料和/或燃 料流建模。在一個實施例中，歧管模型260可對控制閥240，242和渦輪機的燃燒器燃燒室 225之間的可壓縮燃料容積建模。歧管模型可考慮多種多樣的因素。例如，歧管模型260可 對燃料和/或燃料流的可壓縮動態特性和/或容積動態特性建模。如所期望的那樣，歧管 模型260可使用各種測量，例如來自歧管內的溫度測量、來自歧管內的壓力測量、與將燃料供應到歧管的閥相關聯的燃料流率測量等。如果和當對燃料流進行調節時，可使用這些測 量來在數據內對燃料流建模和/或預測燃料流的變化。另外，歧管模型260可如所期望的 那樣使用其它數據，例如壓力和熱損失特性和/或與歧管相關聯的預存儲的數據(例如歧 管的長度、歧管的直徑、歧管的容積等)。當對燃料流建模和/或預測時，可考慮其它數據。 歧管中的燃料流的所建模和/或所預測的行為可由歧管模型260提供給燃料控制模塊258。 就此而言，當調節燃料流段205中的燃料流時，可考慮燃料和/或燃料流的可壓縮動態特性 和/或容積動態特性。閥模型261可對在燃料流段205中使用的一個或多個閥(例如控制閥240，242和 /或截止比例閥238)的操作建模。將參照控制閥240來描述閥模型261的操作；但是，如 各種實施例中所期望的那樣，可對任何數量的閥建模。如所期望的那樣，閥模型261可對控 制閥240的操作建模和/或預測。控制閥240的當前定位可由模型從傳感器210或從包括 在控制閥240中或與控制閥240相關聯的控制單元或控制器中接收。另外，可接收和/或 使用與控制閥240相關聯的其它數據來對控制閥240的操作建模和/或預測，例如控制閥 240的功能特性和/或操作特性。作為一個實例，閥模型261可使用與閥的運動能力和/或 閥240的振動特性相關聯的數據以及閥240的當前定位，以便對閥240運動到新位置所花 的時間量建模和/或預測。閥240的建模和/或預測的操作可由閥模型261提供給燃料控 制模塊258。就此而言，當調節燃料流段240中的燃料流時，可考慮閥240的操作特性。燃燒器模型262可對燃燒器燃燒室225內的燃料流和/或燃料的行為建模和/或 預測。雖然圖2中示出了燃燒器模型262，但是如所期望的那樣可使用其它類型的模型，以 對其它渦輪機構件中的燃料特性建模。如本發明的各種實施例中所期望的那樣，燃燒器模 型262可考慮多種多樣的測量、操作特性、參數和/或其它數據，例如燃燒器燃燒室225內 的燃料噴嘴的有效面積、燃燒室壓力、燃燒室溫度等。對流到燃燒器燃燒室225的燃料流的 建模和/或預測可由燃燒器模型262供應到燃燒控制模塊258。就此而言，當調節燃料流段 240中的燃料流時，可考慮燃燒器燃燒室225內的燃料流行為。燃燒控制模塊258可有利於調節燃料流段240內的燃料流。根據本發明的一個方 面，當調節燃料流時，燃料控制模塊258可考慮對燃料流、閥和/或渦輪機構件的各種建模。 例如，燃料控制模塊258可從燃料流模型259中接收數據，並且可使用接收到的數據來將燃 料流調節到目標燃料流。在某些實施例中，可響應於與渦輪機相關聯的瞬態事件(例如甩 負荷、離開穩態狀態的改變、迅速加載或卸載、到孤島模式的步驟、失效總線閉合(dead bus closure)、切負荷(load shed)、處理負荷啟動(deal load pickup)等)來調節燃料流。當 調節燃料流時，使用燃料流模型259時可考慮燃料的可壓縮性性質。另外，可考慮閥(例如 控制閥240)的能力和/或操作。作為調節燃料流的一個實例，渦輪機可在穩態下操作。基於瞬態事件，可決定將燃 料流調節到新的目標流，例如減少的燃料流。在傳統的燃料控制系統中，可將一個或多個控 制閥調節到與目標流相關聯的定位；但是，燃料的可壓縮性質可導致延遲實現目標流進入 燃燒器225中。換句話說，一旦改變了控制閥定位，就不能實現目標燃燒器流。在本發明的 各種實施例中，可相對強烈地調節燃料流，以便以更加迅速的方式實現目標流。例如，可將 閥燃料流調節到這樣的水平，即，其過度補償或超過適合於目標流的閥位置的變化，以便處 理燃料的可壓縮性質和對燃料器燃料流的延遲作用。然後可將閥位置調節到適合於目標流的閥位置。就此而言，可相對迅速地對燃料流進行調節。下面參照圖3、4A以及4B提供了 根據本發明的實施例的用於調節燃料流的幾個實例。一個或多個輸入/輸出(「I/O」)接口 253可有利於控制器215和一個或多個輸 入/輸出設備(例如傳感器210、通用串行總線埠、串行埠、磁碟驅動器、⑶-ROM驅動 器、紅外接收器和/或有利於用戶與控制器215交互的一個或多個用戶接口設備，例如顯示 器、鍵盤、滑鼠、小鍵盤、控制面板、觸控螢幕顯示器、遠程控制器、話筒等)之間的通信。可使 用一個或多個I/O接口 253來接收或收集測量數據和/或來自多種多樣的傳感器和/或輸 入設備的其它數據。一個或多個網絡接口 254可有利於控制器215連接至一個或多個適當的網絡280， 例如區域網路(LAN)、廣域網絡(WAN)、網際網路、蜂窩網絡、射頻網絡、能使用藍牙的網絡、 Wi-Fi網絡、任何有線網絡、任何無線網絡或能夠傳輸數據的任何其它網絡。就此而言，控制 器215可接收來自其它網絡設備和/或系統(例如數據源275和/或外部控制系統270) 的測量數據和/或控制數據。另外，在一些實施例中，可使用網絡接口 254來接收來自傳感 器210的測量數據。如本發明的各種實施例中所期望的那樣，控制器215可接收來自一個或多個傳 感器210的測量數據。另外，在某些實施例中，控制器215可通過任何數量的適當的網絡 280 (例如區域網路(LAN)、廣域網絡(WAN)、網際網路、蜂窩網絡、射頻網絡、能使用藍牙的 網絡、Wi-Fi網絡、任何有線網絡、任何無線網絡或能夠傳輸數據的任何其它網絡)來接收 來自一個或多個其它設備、網絡設備、系統和/或外部數據源275的測量數據和/或其它數 據。在本發明的某些實施例中，外部數據源275可為與渦輪機的操作、渦輪機的一個或多個 構件、燃料流段205的一個或多個構件以及/或者系統100內的燃料的行為相關聯的存儲 數據源。在某些實施例中，控制器215可同時處理從傳感器210接收到的實時數據或幾乎 實時的數據和來自外部數據源275的存儲數據，以提供燃料流的更加精確的模型和/或預 測。在其它實施例中，外部數據源275可包括實時或幾乎實時的數據，並且可獨立於一個或 多個傳感器210或與一個或多個傳感器210相結合聯接至控制器215，以將測量數據提供給 控制器215。此外，在本發明的各種實施例中，控制器215可接收來自一個或多個外部控制 系統270的數據和/或至少部分地由一個或多個外部控制系統270控制，該一個或多個外 部控制系統270通過一個或多個適當的網絡(例如網絡280)與控制器215通信。如所期望的那樣，本發明的實施例可包括帶有比圖2中所示的構件多或少的構件 的系統200。另外，本發明的實施例可適於在多種多樣的不同機器(例如，燃氣輪機、蒸汽輪 機、或接收和/或使用可壓縮燃料的任何其它機器)中使用。圖3是示出了根據本發明的一種說明性實施例的、用於控制流到渦輪機的燃料流 的一個實例方法300的流程圖。當調節燃料流時，方法300可使用與燃料流相關聯的各種 建模和/或預測。就此而言，當調節燃料流時，可考慮燃料的可壓縮性質。方法300可在框305處開始。在框305處，可監測與流到渦輪機構件(例如圖2 中所示的第三流道234、第四流道236和/或燃燒器燃料室225)的燃料流相關聯的一個或 多個參數。如本發明的各種實施例中所期望的那樣，可監測與燃料流相關聯的多種多樣的 參數，例如與燃料流段(例如燃料流段205)的一個或多個相應的構件中的燃料流相關聯的 一個或多個壓力、與燃料流段205的一個或多個相應的構件中的燃料流相關聯的一個或多個溫度、與控制燃料流的閥(例如閥238，240，242)相關聯的各種位置，以及/或者與接收 燃料流的一個或多個渦輪機構件相關聯的各種參數，例如與燃燒器燃燒室225的噴嘴相關 聯的有效面積。如所期望的那樣，參數可由一個或多個適當的傳感器(例如圖2中所示的 傳感器210)監測。在框310處，與監測參數相關聯的測量數據可從傳感器210被傳送到與燃料流相 關聯的一個或多個模型，例如圖2中所示的燃料流模型259。例如，測量數據可傳送到可操 作成執行燃料流模型259的控制器(例如控制器215)並且控制器215可將有關的測量數 據相應地提供給各燃料流模型。可通過一個或多個適當的輸入/輸出接口和/或通過一個 或多個適當的網絡(例如圖2中所示的I/O接口 253和網絡280)將測量數據傳送到控制 器 215。在框315 (其在本發明的某些實施例中是可選的)處，與燃料流相關聯的其它數據 可傳送到一個或多個燃料流模型259。如本發明的各種實施例中所期望的那樣，可使用多種 多樣的其它數據，例如與流道相關聯的尺寸、與一個或多個控制閥238，240，242相關聯的 操作特性和/或能力、和/或與一個或多個渦輪機構件相關聯的操作特性。例如，數據可傳 送到控制器215，並且控制器215可將有關的數據相應地提供給各燃料流模型。可通過一個 或多個適當的輸入/輸出接口和/或通過一個或多個適當的網絡(例如圖2中所示的I/O 接口 253和網絡280)將數據傳送到控制器215。如所期望的那樣，可從與各種渦輪機構件 相關聯的控制單元(例如閥控制單元)中、從一個或多個外部數據源中和/或從一個或多 個外部控制系統中接收數據。在框320處，可使用測量數據和/或其它數據中的至少一部分來對燃料流建模。 可使用一個或多個燃料流模型259對燃料流建模和/或預測燃料流的行為。在某些實施例 中，當監測與燃料流相關聯的各種參數時，可實時或幾乎實時地監測燃料流。通過對燃料流 建模，當調節燃料流時，可考慮燃料的可壓縮性質和可壓縮性質對燃料流的調節的作用。例 如，可考慮燃料流的可壓縮動態特性和/或容積動態特性。另外，在某些實施例中，當調節 燃料流時，可考慮用於調節燃料流的一個或多個閥的能力和/或操作。例如，可考慮將閥調 節到新位置所花的時間和/或閥的振動特性。另外，在某些實施例中，當調節燃料流時，可 考慮一個或多個渦輪機構件的能力和/或操作，例如，燃燒器構件225中的壓力、燃燒器構 件225的一個或多個燃料噴嘴的有效面積等。在框325處，可確認(identify)新的目標燃料流。例如，渦輪機可在穩態下操作， 並且可決定使渦輪機在不同狀態下操作。在某些實施例中，可響應於瞬態事件而做出決定。 渦輪機的新狀態可具有可稱為新的目標燃料流的相關聯的燃料流。在框330處，可至少部分地基於燃料流的預測性建模來將燃料流調節到目標燃料 流。本發明的實施例可比傳統系統更加迅速地對燃料流進行調節，因為改進了對燃料流的 理解以及與燃料流段205相關聯的控制能力。例如，當調節燃料流時，可考慮燃料的可壓縮 性質和/或控制閥240，242的能力。現在將論述將燃料流調節到目標燃料流的幾個實例。將燃料流調節到目標流的一個實例包括將燃料流調節到小於當前燃料流的目標 水平。在傳統系統中，當燃料流降低時，保持在歧管或流道中的某些量的燃料要花一些時間 放出，從而導致延遲實現燃燒器225中的目標水平。但是，本發明的實施例可在調節燃料流 時考慮燃料的可壓縮性質。一旦確認了目標燃料流，控制閥240就可調節到與小於目標燃
12料流的燃料流相關聯的位置。例如，控制閥240可調節到關閉位置。就此而言，燃料流可相 對迅速地減少，並且保持在流道中的燃料可相對迅速地放出。可對流道內的燃料流的行為、 控制閥240的能力、和/或接收燃料流的渦輪機構件(例如燃燒器燃燒室)內的燃料流的 行為建模。至少部分地基於建模，可決定閥何時應重新打開和/或重新定位到與目標燃料 流相關聯的定位。就此而言，燃料流可以相對迅速的方式降低到目標水平。將燃料流調節到目標流的其它實例包括將燃料流調節到大於當前燃料流的目標 水平。在傳統系統中，當燃料流增加時，由於增加的燃料流的壓縮，因此當其進入流道時，可 能會發生一些延遲。但是，本發明的實施例在調節燃料流時，可考慮燃料的可壓縮性質。一 旦確認了目標燃料流，控制閥240就可調節到與大於目標燃料流的燃料流相關聯的位置。 例如，控制閥240可調節到完全打開的位置。就此而言，燃料流可相對迅速地增加，並且可 在流道中相對迅速地實現適合於目標燃料流的期望壓力。可對流道內的燃料流的行為、控 制閥240的能力、和/或接收燃料流的渦輪機構件(例如燃燒室)內的燃料流的行為建模。 至少部分地基於建模，可決定閥何時應部分關閉和/或重新定位到與目標燃料流相關聯的 定位。就此而言，燃料流可以相對迅速的方式增加到目標水平。方法300可在框330之後結束。在圖3的方法300中描述的操作不必按圖3中闡述的順序執行，而是可按任何適 當的順序執行。另外，在本發明的某些實施例中，可執行比圖3中闡述的全部要素或操作多 或少的要素或操作。圖4A和4B是示出了可由本發明的實施例促進的燃料流的實例變化的流程圖。圖 4A是示出了傳統系統中的燃料流降低的實例的圖表400。圖表400繪製了燃料流隨時間的 變化。圖4A中示出了計算出的閥燃料流405和實際的燃燒器燃料流410。計算出的燃料流 405表示當調節燃料流時(例如當一個或多個閥從與初始燃料流415相關聯的位置關閉到 與最終燃料流420相關聯的位置時)傳統系統期望的燃料流。實際燃料流410示出了當調 節一個或多個閥時的實際燃料流。如圖所示，由於燃料的可壓縮性質，典型地用於使燃料流 減小到最終燃料流420所花費的時間量比計算的時間量大。這些延遲可導致渦輪機的效率 損失，而且在一些情況下，會導致火焰損失和/或磨損增加、生命周期縮短、以及/或者對渦 輪機和/或各種渦輪機構件造成損害。圖4B是示出了根據本發明的實施例的燃料流降低的實例的圖表425。圖表425 繪製了燃料流隨時間的變化。圖4B中示出了計算出的閥燃料流430和實際的燃燒器燃料 流435。計算出的燃料流430表示當調節燃料流時(例如當調節一個或多個閥時)期望的 燃料流。實際燃料流410示出了當調節一個或多個閥時的實際燃料流。如圖所示，為了將 燃料流降低到目標水平，燃料流可從初始燃料流440降低到小於目標燃料流或最終燃料流 450的燃料流445。至少部分地基於對燃料流、燃料流系統的構件和/或各種渦輪機構件建 模，可然後將燃料流調節到最終燃料流450。就此而言，可以相對強烈和/或相對迅速的方 式調節燃料流。如圖所示，實際燃料流435可以比傳統系統更加迅速的方式降低到最終燃 料流450。對燃料流的更加迅速的調節可在渦輪機內導致效率增益，並且在一些情況下可導 致各種渦輪機構件的磨損降低。本發明的實施例可應用於各種類型的渦輪機，例如燃氣輪機、蒸汽輪機等。本發明 的實施例還可應用於接收和/或使用可壓縮燃料供應或可壓縮流的其它類型的機器，例如往復式發動機、熔爐等。將顯而易見的是，在前述說明書中採取/提供的任何實例僅僅被提 供以用於解釋目的，並且不限制本發明的範圍。上文中參照根據本發明的實例實施例的系統、方法、裝置和/或電腦程式產品 的框圖和流程圖描述了本發明。將理解的是框圖和流程圖中的一個或多個框以及框圖和流 程圖中的框的組合分別可由計算機可執行的程序指令實現。同樣，根據本發明的一些實施 例，框圖和流程圖中的一些框未必需要以所呈現的順序執行，或者根本就未必需要執行。這些計算機可執行的程序指令可加載到通用計算機、專用計算機、處理器或其它 可編程的數據處理裝置上以產生特定的機器，以使得在計算機、處理器或其它可編程的數 據處理裝置上執行的指令產生用於實現流程圖框或多個框中指定的一個或多個功能的手 段。這些電腦程式指令也可存儲在計算機可讀存儲器中，該計算機可讀存儲器可引導計 算機或其它可編程的數據處理裝置以特定的方式起作用，以使得存儲在計算機可讀存儲 器中的指令產生包括實現流程圖框或多個框中指定的一個或多個功能的指令手段的製品 (article ofmanufacture)。作為實例，本發明的實施例可提供電腦程式產品，其包括具 有包含在其中的計算機可讀程序代碼或程序指令的計算機可用介質，該計算機可讀程序代 碼適於執行來實現流程圖框或多個框中指定的一個或多個功能。電腦程式指令也可加載 到計算機或其它可編程的數據處理裝置上，以使得在計算機或其它可編程的裝置上執行一 系列操作要素或步驟，以產生計算機實現的過程，從而使得在計算機或其它可編程裝置上 執行的指令提供用於實現流程圖框或多個框中指定的功能的要素或步驟。因此，框圖和流程圖中的框支持用於執行指定功能的手段的組合、用於執行指定 功能的要素或步驟和用於執行指定功能的程序指令手段的組合。還將理解的是，框圖和流 程圖中的各個框以及框圖和流程圖中的框的組合可由專用的基於硬體的計算機系統執行， 該專用的基於硬體的計算機系統執行指定功能、要素或步驟，或者專用硬體和計算機指令 的組合。雖然已經結合目前認為是最實際的各種實施例描述了本發明，但應理解的是本發 明不限於公開的實施例，而是相反，意在涵蓋包括在權利要求書的精神和範圍內的各種修 改和等同布置。本書面描述使用實例來公開本發明(包括最佳模式)，並且還使本領域技術人員 能夠實踐本發明(包括製造和使用任何設備或系統，以及執行任何結合的方法)。本發明的 可授予專利的範圍限定在權利要求書中，並且可包括本領域技術人員想到的其它實例。如 果這種其它實例具有不異於權利要求書的字面語言的結構要素，或者如果這種其它實例包 括與權利要求書的字面語言無實質性差異的等同結構要素，則這種其它實例意在處於權利 要求書的範圍之內。
權利要求
一種用於控制流到渦輪機構件的燃料流的方法(300)，所述方法(300)包括監測(305)與流到渦輪機構件的燃料流相關聯的一個或多個參數；至少部分地基於所述一個或多個監測參數來對所述燃料流建模(310)；以及至少部分地基於所述燃料流的建模來將所述燃料流調節(330)到目標流。
2.根據權利要求1所述的方法(300)，其特徵在於，監測(305)與燃料流相關聯的一 個或多個參數包括監測下者中的至少一個通過有利於調節所述燃料流的一個或多個閥 (238，240，242)的流率、與所述燃料流相關聯的壓力或與所述燃料流相關聯的溫度。
3.根據權利要求1所述的方法(300)，其特徵在於，對所述燃料流建模(310)包括下者 中的至少一個對與所述燃料流相關聯的可壓縮動態特性建模、對與所述燃料流相關聯的 容積動態特性建模或對與有利於調節所述燃料流的一個或多個閥(238，240，242)相關聯 的控制能力建模。
4.根據權利要求1所述的方法(300)，其特徵在於，將所述燃料流調節(330)到目標流 包括促動控制供應到所述渦輪機構件的燃料的量的一個或多個閥(238，240，242)。
5.根據權利要求1所述的方法(300)，其特徵在於，將所述燃料流調節(330)到目標流 包括使所述燃料流增加到比所述目標流大的燃料流；以及至少部分地基於所述燃料流的建模來將所述燃料流降低到所述目標流。
6.根據權利要求1所述的方法(300)，其特徵在於，將所述燃料流調節(330)到目標流 包括使所述燃料流降低到比所述目標流小的燃料流；以及至少部分地基於所述燃料流的建模來將所述燃料流增加到所述目標流。
7.一種用於控制流到渦輪機構件的燃料流的系統(200)，所述系統(200)包括一個或多個傳感器(210)，所述一個或多個傳感器(210)可操作成監測與流到渦輪機構件的燃料流相關聯的一個或多個參數；以及一個或多個處理器(251)，所述一個或多個處理器(251)可操作成接收來自所述一個 或多個傳感器(210)的測量數據(255)，使用所述接收到的測量數據(255)中的至少一部分 來對所述燃料流建模，並且至少部分地基於所述燃料流的建模來將所述燃料流調節到目標 流。
8.根據權利要求7所述的系統(200)，其特徵在於，所述一個或多個傳感器(210)可操 作成監測下者中的至少一個通過有利於調節所述燃料流的一個或多個閥(238，240，242) 的流率、與所述燃料流相關聯的壓力或與所述燃料流相關聯的溫度。
9.根據權利要求7所述的系統(200)，其特徵在於，所述處理器(251)可操作成通過對 與所述燃料流相關聯的可壓縮動態特性、與所述燃料流相關聯的容積動態特性或與有利於 調節所述燃料流的一個或多個閥相關聯的控制能力中的至少一個建模來對所述燃料流建 模。
10.根據權利要求7所述的系統(200)，其特徵在於，所述一個或多個處理器(251)可 操作成通過促動控制供應到所述渦輪機構件的燃料的量的一個或多個閥來將所述燃料流 調節到目標流。
全文摘要
本發明涉及用於控制流到渦輪機構件的燃料流的系統(200)和方法(300)。可監測與流到渦輪機構件的燃料流相關聯的一個或多個參數。可至少部分地基於一個或多個監測參數來對燃料流建模。可至少部分地基於燃料流的建模來將燃料流調節到目標流。
文檔編號F02C9/28GK101876271SQ20101017521
公開日2010年11月3日 申請日期2010年4月30日 優先權日2009年4月30日
發明者D·A·斯奈德 申請人:通用電氣公司