Способ определения режима выбросов - RU2675965C2
Код документа: RU2675965C2
Чертежи
Описание
Область техники
Настоящее изобретение относится к способу определения режима выбросов газотурбинного двигателя. Настоящее изобретение, кроме того, относится к газотурбинному двигателю, выполненному с возможностью работы с использованием такого способа.
Уровень техники
Хорошо известно, что промышленные предприятия не только вырабатывают огромное количество энергии, но также создают выбросы, например, оксидов азота (NOx) и оксидов углерода (СО), которые могут быть вредными для человека и окружающей среды. Поэтому принимаются серьезные меры для уменьшения объема этих загрязняющих веществ. Следовательно, важно осуществлять мониторинг выбросов промышленных предприятий. Более того, в зависимости от размеров промышленного предприятия и применимых законодательных норм, для некоторых промышленных процессов, при которых происходит сжигание, закрепленным законом требованием является непрерывный мониторинг уровней выбросов (в первую очередь, NOx).
Непрерывный мониторинг выбросов предприятия можно осуществлять либо при помощи Автоматизированных систем контроля выбросов (AMS), в основе которых лежит метод непрерывного непосредственного измерения выбросов, либо при помощи Системы контроля выбросов на основе прогнозирования (PEMS), в которой используются характерные параметры процесса для вычисления (прогнозирования) уровней выбросов. Из этих двух способов PEMS характеризуется значительно более низкой стоимостью использования и сложностью функционирования. При этом PEMS-модели, как правило, требуют значительного "обучения" и калибровки на месте эксплуатации, и, как правило, будут применимы для конкретного предприятия в пределах калиброванных условий работы/условий окружающей среды (см. ниже). Такая система, например, описана в документе ЕР 1 864 193 В1.
Так как PEMS-модели, как правило, создаются третьими лицами, которые могут не иметь детальных знаний о продукции по сравнению с непосредственным производителем оборудования (OEM), существующие PEMS-модели, как правило, сильно зависят от "обучения" на месте эксплуатации (т.е., настройки сетей, по типу относящихся к нейронным) и калибровки, и модель изменяется от одного места эксплуатации к другому даже при одной и той же конфигурации предприятия. При этом может существовать базовая модель, в которую включены некоторые фундаментальные характеристики сжигания, эта модель, по существу, представляет собой полученную эмпирическим путем взаимосвязь между параметром процесса и уровнями выбросов. Такие модели часто требуют регулярной повторной калибровки, связанной с нормальным ухудшением качества двигателя с течением времени. Точность этих моделей в условиях окружающей среды и условиях работы, выходящих за пределы их диапазона калибровки, находится под вопросом.
Первой задачей настоящего изобретения является предложить способ определения режима выбросов газотурбинного двигателя, при помощи которого можно смягчить упомянутые выше недостатки и, в особенности, обеспечить эффективную с точки зрения затрат времени и надежную работу газотурбинного двигателя.
Второй задачей изобретения является предложить газотурбинный двигатель, который может работать надежным образом и с уменьшенными уровнями выбросов.
Эти задачи могут быть выполнены при помощи способа и газотурбинного двигателя, соответствующих независимым пунктам Формулы изобретения.
Сущность изобретения
Соответственно, настоящим изобретением предлагается способ определения режима выбросов газотурбинного двигателя.
Предлагается, чтобы способ содержал следующие этапы: выполняют параметризацию режима выбросов газотурбинного двигателя для, по меньшей мере, одной выбранной первой переменной состояния газотурбинного двигателя с использованием модели, которая отражает режим состояния этого двигателя, и определяют режим выбросов газотурбинного двигателя с использованием параметризации.
Благодаря новаторскому способу, PEMS-модель позволит прогнозировать выбросы для широкого диапазона входных условий. Кроме того, новаторский способ позволит применять спрогнозированные уровни выбросов при оптимизации реальных уровней выбросов. Это, например, обеспечит баланс между динамикой изменения давления в устройстве для сжигания и низкими выбросами, например, NOx. Помимо этого, достоверность модели, являющейся точной в более широком диапазоне входных условий и условий работы, выше, чем в случае обычных систем, особенно, если в основе модели лежат принципы кинетики химических реакций. Вместе с тем, PEMS-модель является относительно независимой от конкретной конфигурации, используемой на месте эксплуатации, и требует минимальных настройки и "обучения" на месте эксплуатации. Преимуществом является то, что она также будет адаптироваться к изменениям в работе двигателя в течение продолжительных периодов времени, обусловленным, например, ухудшением качества компонентов или влиянием на установку выполняемых замен (например, топлива, фильтров, горелок). Модель используется для прогнозирования режима выбросов в выбранных условиях. Это приводит к созданию "профилей", отражающих эти условия, которые затем используются в PEMS-модели. Использование "профилей", а не самой модели, означает, что для моделирования сжигания можно использовать сложную модель (работа которой, как следствие, занимает много времени), но окончательная версия, реализованная в конкретном месте эксплуатации, может быть значительно более простой и быстрее работающей частью программного обеспечения.
Даже если в пунктах Формулы изобретения и спецификации такие элементы, как "переменная состояния", "блок обработки" или "устройство для подачи топлива", указаны в единственном числе или в определенном количестве, объем патента (заявки) не будет ограничиваться их наличием в единственном числе или в определенном количестве. За пределы объема изобретения также не будет выходить наличие более чем одного или множества упомянутых элементов или объектов.
В этом контексте предполагается, что "режим состояния" означает результат наличия конкретного условия в газотурбинном двигателе или его части, либо состояния газотурбинного двигателя или его части, например, работа этого двигателя при выполнении последовательности запуска или работа в условиях высокой температуры окружающей среды и т.д., а "режим выбросов" означает результат наличия конкретного условия в газотурбинном двигателе или его части, относящийся к выбросам, создаваемым этим двигателем или его частью. Это может быть одномерная величина, например, уровень выбросов, или многомерное представление, зависящее от более чем одной величины или, по меньшей мере, от величин разных типов, такое как профиль выбросов, например, изменение уровня выбросов с течением времени или соотнесенное с температурой сжигания. Вместе с тем, предполагается, что переменная состояния означает переменную, характеризующую выбранное или конкретное состояние газотурбинного двигателя, такую как температура в выбранной зоне этого двигателя или в его частях, либо в конкретный момент времени в период работы этого двигателя или его частей. Переменная состояния может иметь измеряемое значение или получаемое/предполагаемое значение, которое получают на основе измеряемого значения.
Предполагается, что параметризация означает либо одну параметризацию, либо множество индивидуальных параметризаций/субпараметризаций. Вместе с тем, параметризацию можно также назвать параметрическим уравнением. Вместе с тем, модель предпочтительно представляет собой математическую модель.
Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, способ содержит следующий этап: выполняют параметризацию режима выбросов газотурбинного двигателя для упомянутой, по меньшей мере, одной выбранной первой переменной состояния и нескольких различных выбранных вторых переменных состояния. Таким образом, можно прогнозировать выбросы в широком диапазоне входных условий. Преимуществом является то, что способ конкретно содержит следующий этап: выполняют параметризацию режима выбросов газотурбинного двигателя путем выполнения индивидуальных параметризаций для упомянутой, по меньшей мере, одной выбранной первой переменной состояния и для каждой выбранной второй переменной состояния по отдельности. Как следствие, различные переменные состояния можно исследовать независимо от других параметризаций дополнительных переменных состояния, что приводит к получению множества наборов данных. Индивидуальные параметризации можно считать субпараметризациями в составе комплексной параметризации.
В предпочтительном случае, по меньшей мере, одна индивидуальная параметризация режима выбросов газотурбинного двигателя является представлением в двухмерном пространстве состояний. Это позволяет представлять зависимости двух переменных состояния простым и непосредственным образом.
В предпочтительном варианте реализации изобретения предлагается, чтобы способ содержал следующий этап: описывают режим выбросов газотурбинного двигателя с использованием дополнительной переменной состояния этого двигателя. Таким образом, можно легко задать условия в газотурбинном двигателе или его частях. Эта дополнительная переменная состояния газотурбинного двигателя может быть любой переменной, подходящей для специалиста в данной области техники, такой как, температура выхлопа, температура сжигания, количество несгоревших углеводородов (UHC), либо параметр выбросов или, что наиболее предпочтительно, уровень выбросов любого соответствующего выбрасываемого вещества или комбинации веществ или, конкретно, уровень выбросов NOx или уровень выбросов СО.
Помимо этого, упомянутая, по меньшей мере, одна выбранная первая переменная состояния представляет собой входную информацию для модели. Другими словами, упомянутая, по меньшей мере, одна выбранная первая переменная состояния является входной переменной для модели. Вместе с тем, дополнительная переменная состояния, которая отражает режим выбросов газотурбинного двигателя, представляет собой выходную информацию модели. Другими словами, дополнительная переменная состояния является выходной переменной модели. Как следствие, можно найти заданные зависимости. Таким образом, модель отображает упомянутую, по меньшей мере, одну первую переменную состояния газотурбинного двигателя, как входную переменную, в дополнительную переменную состояния этого двигателя, как выходную переменную. Выходной переменной может быть, например, величина выброса NOx или профиль выбросов в выбранных условиях.
Как указано выше, упомянутая, по меньшей мере, одна выбранная первая переменная состояния используется как входная информация для модели. В обеспечивающем преимущество варианте реализации новаторского способа он содержит следующий этап: выполняют модель с изменением упомянутой, по меньшей мере, одной выбранной первой переменной состояния, при этом дополнительную входную информацию для модели сохраняют неизменной. Это позволяет исследовать только одну выбранную или конкретную переменную в заданных условиях. В результате выполнения модели можно получить конкретный режим состояния газотурбинного двигателя в зависимости от конкретной комбинации упомянутой, по меньшей мере, одной первой переменной состояния и дополнительных переменных состояния. Затем способ содержит следующий этап: определяют параметризацию с использованием смоделированного режима состояния при изменении упомянутой, по меньшей мере, одной выбранной первой переменной состояния.
Вместе с тем, способ содержит следующий этап: определяют параметризацию с использованием дискретизации, являющейся результатом изменения упомянутой, по меньшей мере, одной выбранной переменной состояния и смоделированного режима состояния, в частности, смоделированного значения переменной для смоделированного режима состояния. Как следствие, результаты применения модели можно продемонстрировать простым образом. Это легко делается, если способ содержит следующий этап: определяют параметризацию с использованием аппроксимации дискретизации при помощи непрерывной функции. Таким образом, режим выбросов преобразуется в простую математическую функцию (как правило, выражения с многочленом). При их реализации известные модели являются, как правило, сложными моделями и требуют специализированного программного обеспечения и значительного времени обработки при прогоне. Но за счет преобразования выходной информации модели в относительно простые математические выражения, как предлагается новаторским способом, с использованием более простого программного обеспечения можно разработать значительно более быстродействующую модель.
Результаты использования математической функции, или профиль выбросов, могут быть представлены в виде графика, что делает простым для оператора ознакомление с представлением результатов. Вместе с тем, математическая функция может быть проверена с использованием данных экспериментальной установки (допустимы небольшие постоянные отклонения), чтобы обеспечить более точное соответствие спрогнозированных и вычисленных значений.
В предпочтительном случае модель представляет собой модель кинетики, а именно, модель кинетики физических процессов или, наиболее предпочтительно, модель кинетики химических реакций. Модель кинетики химических реакций в конкретном газотурбинном двигателе или его системе сжигания позволит прогнозировать выбросы для широкого диапазона входных условий.
Преимуществом является то, что упомянутая, по меньшей мере, одна выбранная первая переменная состояния представляет собой переменную, выбранную из группы, состоящей из: непосредственно измеряемого параметра, предполагаемого параметра или параметра, получаемого на основе термодинамики. Таким образом, можно рассматривать большое множество различных переменных или определенных значений переменных и использовать их для определения режима состояния газотурбинного двигателя или его частей. В дополнение к этому, из этой группы также можно выбирать дополнительную переменную состояния.
Параметр, получаемый на основе термодинамики, представляет собой параметр на основе измеряемых значений или констант, получаемых при заводском тестировании газотурбинного двигателя. Эти константы описывают условия работы компонентов (например, пропускная способность первой ступени турбины компрессора и нагрузка на турбину компрессора) и в их основе лежат термодинамические принципы работы газотурбинного двигателя. При нахождении на месте эксплуатации измеренные и полученные константы передают в алгоритм управления и получают переменные или параметры состояния, которые невозможно непосредственно измерить. Например, известно использование вычисленной температуры на впуске турбины для управления работой газотурбинного двигателя при частичной нагрузке.
Упомянутая, по меньшей мере, одна выбранная первая переменная состояния может представлять собой любой параметр, подходящий для специалиста в данной области техники. Но в случае (непосредственно) измеряемого параметра она предпочтительно представляет собой переменную, выбранную из группы, состоящей из: давления окружающей среды на входе, давления на входе двигателя, температуры окружающей среды на входе, температуры на входе двигателя, температуры на входе компрессора, давления на входе компрессора, давления на выходе компрессора или давления при подаче из компрессора, соответственно, температуры на выходе компрессора или температуры при подаче из компрессора, соответственно, давления в промежуточном канале турбины, температуры в промежуточном канале турбины, температуры выхлопа, рабочей температуры газотурбинного двигателя, расхода топлива, состава топлива, температуры топлива или отношения разделения топлива на основное и пилотное. За счет использования непосредственно измеряемых параметров можно точным образом определять и учитывать реальное состояние газотурбинного двигателя или его частей.
В качестве альтернативы, в случае, когда упомянутая, по меньшей мере, одна выбранная первая переменная представляет собой параметр, получаемый на основе термодинамики, она выбирается из группы, состоящей из: давления на выходе из камеры сгорания или давления при выпуске из камеры сгорания, соответственно, температуры на выходе камеры сгорания или температуры при выпуске из камеры сгорания, соответственно, температуры пуска, процентного отбора воздуха при подаче из компрессора или вычисляемого массового расхода. За счет использования массового расхода на входе и/или процентного отбора воздуха при подаче из одной из заборных камер компрессора в качестве параметра, получаемого на основе термодинамики, можно более точным образом моделировать систему сжигания газотурбинного двигателя. Это можно использовать как средство диагностики для непосредственно измеряемых значений и может позволить вычислять дополнительные рабочие параметры камеры сгорания (например, температуру факела, процентное содержание топлива и воздуха в смеси). Вместе с тем, за счет использования получаемых параметров можно исключить датчики, предназначенные для непосредственного измерения, что позволяет сэкономить пространство, снизить стоимость и уменьшить объем работ при монтаже.
В дополнение к этому, также можно учитывать фундаментальные характеристики конструкции системы сжигания. Это могут быть, например, геометрия компонентов, таких как компоненты камеры сгорания, либо вычисляемые или получаемые характеристики камеры сгорания.
В случае, например, наличия более чем одного компрессора или более чем одной турбины, все указанные выше значения могут быть скорректированы, например, с учетом давления или температуры между двумя соседними компрессорами/турбинами.
В варианте, обеспечивающем преимущества, модель отражает термодинамический режим ключевых компонентов газотурбинного двигателя, что делает возможным детальный мониторинг. Если говорить конкретно, модель отражает состояние системы сжигания в газотурбинном двигателе, что позволяет сфокусироваться именно на той системе газотурбинного двигателя, которая тесно связана с выбросами этого двигателя. Ключевым компонентом может быть любой компонент, подходящий для специалиста в данной области техники, но в предпочтительном случае ключевым компонентом является компонент, выбранный из группы, состоящей из: главной зоны сжигания, реактора идеального смешения, основного факела, пилотного факела, реактора идеального вытеснения или объединителя массовых расходов, разделителя массовых расходов, сопротивления протеканию.
Другими словами, модель (кинетики химических реакций), описывает систему сжигания в конкретной газовой турбине за счет создания сетевой модели этой системы, в которой ключевые части процесса сжигания представлены отдельными компонентами модели. Примеры включают: главную зону сжигания, представляемую последовательностью элементов модели в виде реакторов идеального смешения, где основные и пилотные факелы моделируются по отдельности (что позволяет исследовать влияние разделения топлива на основное и пилотное); компоненты ниже по потоку представляются элементами модели в виде реакторов идеального вытеснения; разбавление и смешивание представляются соответствующими элементами модели в виде объединителей массового расхода, и граничные условия представляются граничными элементами модели.
Вместе с тем, способ содержит следующий этап: используют параметризацию режима выбросов газотурбинного двигателя для прогнозирования этого режима при заранее определенных значениях упомянутой, по меньшей мере, одной выбранной первой переменной состояния. Как следствие, за счет использования спрогнозированных "профилей" выбросов можно в значительной степени упростить и ускорить прогон работы газотурбинного двигателя по сравнению с известными системами, в которых используются сложные PEMS-модели.
Прогнозы, полученные на основе модели и последующей параметризации, используются при прогоне и работе газотурбинного двигателя. Таким образом, различные математические функции, полученные при выполнении модели и параметризации, включаются в пакет программ, используемый в блоке обработки в газотурбинном двигателе. Таким образом, спрогнозированные уровни выбросов передаются в систему управления двигателем. В результате, когда газотурбинный двигатель прогоняется на месте эксплуатации, влияние изменений каждого из параметров с использованием математических функций объединяют для вычисления прогнозируемых выбросов.
Значения переменных состояния газотурбинного двигателя в соответствии с прогнозами устанавливают равными значениям, дающим результат, или режим выбросов, рекомендованный при прогнозировании с использованием модели. Разумеется, это делается за счет влияния на средства или части газотурбинного двигателя, которые обеспечивают появление определенных значений, например, температуры, давления, процентного содержания топлива в смеси и т.д. Это может быть любая часть или устройство, подходящие для специалиста в данной области техники, например, клапан подачи топлива или воздуха, положение лопатки или направляющей лопатки, устройство для подачи охлаждающей среды и т.д. В наиболее предпочтительном случае влияют на отношение разделения топлива на основное и пилотное.
Выгодным является то, что способ содержит следующий этап: используют спрогнозированный режим или профиль выбросов, полученный в результате применения модели и параметризации, для управления уровнем выбросов во время работы газотурбинного двигателя. Это может быть сделано, как указано выше, посредством настройки разделения топлива на основное и пилотное. Это позволит PEMS-модели оптимизировать уровни выбросов за счет изменения отношения разделения топлива на основное и пилотное (например, чтобы гарантировать, что уровни выбросов остаются в пределах законодательно регулируемых значений).
Новаторский способ предназначен для использования моделей (кинетики химических реакций) для конкретных газотурбинных двигателей или их системы сжигания с целью получения "профилей" выбросов при непосредственно измеряемых, предполагаемых или получаемых на основе термодинамики параметрах, которые затем будут проверяться с использованием технических данных экспериментальной установки в широком диапазоне условий работы. Это означает, что PEMS-модель является относительно независимой от конкретной конфигурации, используемой на месте эксплуатации, и требует минимальных настройки и "обучения" на месте эксплуатации.
Новаторская PEMS-модель может работать либо как самостоятельный пакет программ, либо она может быть включена в систему управления двигателем.
Настоящее изобретение, кроме того, относится к газотурбинному двигателю, содержащему, по меньшей мере, один блок обработки, и выполненному с возможностью работать с применением, по меньшей мере, одного прогноза, полученного при помощи новаторского способа.
Предлагается реализовать модель в упомянутом, по меньшей мере, одном блоке обработки для прогнозирования режима выбросов и/или управления режимом выбросов, а именно, прогнозирования уровня выбросов и/или управления уровнем выбросов газотурбинного двигателя.
Благодаря этому, PEMS-модель позволит прогнозировать выбросы для широкого диапазона входных условий. Кроме того, появляется возможность применять спрогнозированные уровни выбросов при оптимизации реальных уровней выбросов. Это, например, позволит достичь баланса между динамикой изменения давления в камере сгорания и низким уровнем выбросов, например, NOx. Помимо этого, достоверность модели, являющейся точной в более широком диапазоне входных условий и условий работы, является более высокой, чем в случае обычной системы, особенно, если модель основана на принципах кинетики химических реакций. Вместе с тем, PEMS-модель является относительно независимой от конкретной конфигурации, используемой на месте эксплуатации, и требует минимальных настройки и "обучения" на месте эксплуатации. Преимуществом является то, что она также будет адаптироваться к изменениям в работе двигателя в течение продолжительных периодов времени, обусловленным, например, ухудшением качества компонентов или влиянием на установку выполняемых замен (например, топлива, фильтров, горелок). Модель используется для прогнозирования режима выбросов в выбранных условиях. Это позволяет получить "профили", отражающие эти условия, которые затем используются в PEMS-модели. Использование "профилей", а не самой модели, означает, что для моделирования сжигания можно использовать сложную модель (работа которой, как следствие, занимает много времени), но окончательная версия, реализованная в конкретном месте эксплуатации, может быть значительно более простой и быстрее работающей частью программного обеспечения.
В еще одном варианте реализации изобретения предлагается газотурбинный двигатель, содержащий, по меньшей мере, одно устройство для подачи топлива, причем отношение разделения топлива на основное и пилотное в этом устройстве можно регулировать таким образом, чтобы влиять на уровень выбросов в соответствии с прогнозом, полученным при помощи модели.
Рассмотренные выше характеристики, отличительные особенности и преимущества этого изобретения и путь их получения станут очевидными и полностью понятными при ознакомлении с приведенным далее описанием примерных вариантов его реализации, которые пояснены со ссылкой на чертежи.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение будет описано со ссылкой на чертежи, из которых:
на Фиг.1 приведен схематичный разрез газотурбинного двигателя, выполненного с возможностью работы с использованием новаторского способа;
на Фиг.2 приведена блок-схема модели кинетики химических реакций и параметризации, реализованных в блоке обработки, входящем в состав газотурбинного двигателя, показанного на Фиг.1;
на Фиг.3 показаны примерные и упрощенные возможные аналитические элементы для модели кинетики химических реакций, показанной на Фиг.2;
на Фиг.4 схематично показаны те места в газотурбинном двигателе по Фиг.1, в которых получают переменные состояния для модели кинетики химических реакций, приведенной на Фиг.2;
на Фиг.5 приведена диаграмма для зависимости выброса NOx от температуры на входе камеры сгорания, полученной с использованием модели кинетики химических реакций, приведенной на Фиг.2;
на Фиг.6 приведена диаграмма для зависимости выброса NOx от отношения разделения топлива на основное и пилотное, полученной с использованием модели кинетики химических реакций, приведенной на Фиг.2; и
на Фиг.7 приведена блок-схема, на которой показаны два возможных рабочих режима для мониторинга выбросов и управления выбросами газотурбинного двигателя, показанного на Фиг.1, с использованием PEMS-модели.
Подробное описание приведенных вариантов
Термины "выше по потоку" и "ниже по потоку" связаны с направлением потока воздуха и/или рабочего газа, протекающих через газотурбинный двигатель 10, если не указано иное. Если они применяются и не указано иное, в основе применения терминов "осевой", "радиальный" и "окружной" лежит положение оси 30 вращения газотурбинного двигателя 10.
На Фиг.1 в разрезе показан примерный газотурбинный двигатель 10. Газотурбинный двигатель 10 содержит, в направлении протекания потока, впуск 22, секцию 24 компрессора, секцию 26 сжигания и секцию 28 турбины, которые обычно расположены в направлении протекания потока и в общем в направлении прохождения продольной оси, или оси 30 вращения. Газотурбинный двигатель 10, кроме того, содержит вал 32, который выполнен с возможностью вращения вокруг оси 30 вращения и который проходит в продольном направлении через этот двигатель. Вал 32 с обеспечением привода соединяет секцию 28 турбины с секцией 24 компрессора.
При работе газотурбинного двигателя 10 воздух 34, который забирается внутрь через впуск 22 для воздуха, сжимается в секции 22 компрессора и подается в секцию сжигания, или секцию 26 горелок. Секция 26 горелок содержит систему 14 сжигания с полостью 36 для горелок, одну или более камер 38 сгорания, ограниченных кожухом 40 с двойными стенками, и, по меньше мере, одну горелку для каждой камеры 38 сгорания, который прикреплена к этой камере. Камера (камеры) 38 сгорания и горелка (горелки) 42 находятся внутри полости 36 для горелок. Сжатый воздух, проходящий через секцию 24 компрессора, поступает в диффузор 44 и выпускается из диффузора 44 в полость 36 для горелок, из которой часть воздуха поступает в горелку 42 и смешивается с газообразным или жидким топливом. Затем топливно-воздушная смесь сгорает, и газ 46 сгорания, или рабочий газ, возникающий в результате сжигания, направляется через переходный канал 48 в секцию 28 турбины.
Секция 28 турбины содержит ряд рабочих дисков 50 с установленными на них лопатками, или колес турбины, которые прикреплены к валу 32. В представленном примере секция 28 турбины содержит четыре диска 50, на каждом из которых установлена кольцевая группа лопаток 52 турбины. Однако число рабочих дисков 50 с установленными на них лопатками может различаться, т.е., только один рабочий диск 50 или более одного рабочего диска 50. В дополнение к этому, между лопатками 52 расположены ступени статора или турбинные решетки 54. На каждой ступени статора установлена кольцевая группа направляющих лопаток 56, которые неподвижно прикреплены к статору 58 газотурбинного двигателя 10. Между выходом из камеры 38 сгорания и передними лопатками 52 турбины обеспечены направляющие лопатки впуска, или сопловые направляющие лопатки 60.
Газ 46 сгорания из камеры 36 сгорания поступает в секцию 28 турбины и приводит в действие лопатки 52 турбины, которые, в свою очередь, вращают вал 32. Направляющие лопатки 56, 60 служат для оптимизации угла, под которым газ сгорания, или рабочий газ 46, попадает на лопатки 52 турбины. Секция 24 компрессора содержит последовательность ступеней 62 с направляющими лопатками и ступеней 64 с лопатками ротора, соосные с лопатками 52 турбины или направляющими лопатками 56, соответственно.
Помимо этого, газотурбинный двигатель 10 содержит блок 18 обработки, который для наглядности показан снаружи этого двигателя. Для определения режима выбросов газотурбинного двигателя 10 или мониторинга выбросов газотурбинного двигателя 10 и управления этими выбросами, например, NOx или СО, блок 18 обработки содержит реализованную модель Системы мониторинга выбросов с прогнозированием (PEMS) 104. В основе PEMS-модели 104 лежат принципы объединения модели 102 кинетики химических реакций и параметризации 100 или, другими словами, параметрического уравнения или модели 102, что будет описано со ссылкой на Фиг.2 - Фиг.7.
PEMS-модель 104 получают путем моделирования выбранных систем газотурбинного двигателя 10, таких как система 14 сжигания этого двигателя. При моделировании используется модель 102 кинетики химических реакций, в которой будут применяться те же входные параметры, или переменные Р0, P1, P2, P3, P4, T0, T1, T2, T3, T4, T5, P2B, MCI, TFIRE, QF, QH, QT, SPLIT состояния (см. ниже), что и в окончательной PEMS-модели 104. При этом результаты модели 102 преобразуются в математические функции, которые можно использовать для прогнозирования выбросов без необходимости в прогоне модели 102 кинетики химических реакций в режиме реального времени.
Процесс разработки такой PEMS-модели 104 изображен при помощи блок-схемы, приведенной на Фиг.2.
При разработке модели 102 кинетики химических реакций, описывающей конкретную систему 14 сжигания в газотурбинном двигателе 10, создается соответствующая сетевая модель системы 14 сжигания (этап 102а). В результате идентифицируются ключевые части или компоненты 12 процесса сжигания. Эти ключевые компоненты 12 представляются как отдельные компоненты модели, или аналитические элементы. Это в качестве примера и в упрощенном виде показано для двух ключевых компонентов 12 на Фиг.3 (см. также Фиг.1). Ключевым компонентом 12 может быть, например, главная зона 16 сжигания, представляемая последовательностью элементов модели в виде реакторов 66 идеального смешения (PSR), при этом основные и пилотные факелы 68 моделируются по отдельности (что позволяет исследовать влияние разделения топлива на основное и пилотное). Следующий ключевой компонент 12 может находиться в нижней по потоку зоне 70 сжигания и может быть представлен элементами модели в виде реакторов 72 идеального вытеснения.
Дополнительные ключевые компоненты 12 будут представлены, например, подходящими элементами модели в виде объединителей массового расхода, отражающих разбавление и смешивание различных смоделированных газовых потоков, например, воздуха или продуктов сгорания, либо топлива, или будут представлены элементом в виде разделителя массового расхода или элементом с сопротивлением протеканию. Граничные условия (например, насколько велик объем выбранных компонентов, или сколько времени имеется для разных процессов) будут представлены граничными элементами модели (не показаны).
Как можно видеть из Фиг.3, в качестве входной информации для модели 102 используется, по меньшей мере, одна выбранная первая переменная MCI состояния. Хотя эта входная информация задается как "массовый расход на впуске", она также содержит выбранные давления Р, выбранные температуры Т, состав QH топлива и расход QF топлива, так как массовый расход на впуске представляет собой параметр, получаемый на основе термодинамики. Другими возможными выбранными первыми переменными состояния являются P0, P1, P2, P3, P4, T0, T1, T2, T3, T4, T5, P2B, TFIRE, QF, QH, QT, SPLIT.
Эти переменные P0, P1, P2, P3, P4, T0, T1, T2, T3, T4, T5, P2B, MCI, TFIRE, QF, QH, QT, SPLIT представляют собой следующее: непосредственно измеряемый параметр, предполагаемый параметр или параметр, получаемый на основе термодинамики.
На Фиг.4 показано, какие условия имеются в конкретных местах двигателя, и где могут быть получены переменные P0, P1, P2, P3, P4, T0, T1, T2, T3, T4, T5, P2B, MCI, TFIRE, QF, QH, QT, SPLIT состояния для модели 102 кинетики химических реакций. Перед поступлением в газотурбинный двигатель 10 воздух 34 окружающей среды имеет давление и температуру окружающей среды (не обозначены конкретными ссылочными номерами). Во впуске 22 воздух 34, перемещающийся в корпусе 74 фильтра, имеет давление Р0 на входе в двигатель и температуру Т0 на входе в двигатель. Воздух, поступающий в компрессор, находящийся в секции 24 компрессора, имеет давление Р1 на входе в компрессор и температуру Т1 на входе в компрессор. Р2 представляет собой давление на выходе из компрессора, также называемое "давлением Р2 на входе в камеру сгорания" или "давлением Р2 при подаче из компрессора", и Т2 представляет собой температуру на выходе из компрессора, также называемую "температурой Т2 на входе в камеру сгорания" или "температурой Т2 при подаче из компрессора". Переменные, относящиеся к топливу 76 и устройству 20 для подачи топлива, это расход QF топлива, состав QF топлива, температура QT топлива и отношение SPLIT разделения топлива на основное и пилотное. Газ 46 сгорания, выходящий из секции 26 сжигания, имеет давление Р3 на выходе из камеры сгорания и температуру Т3 на выходе из камеры сгорания. Текучая среда, перемещающаяся в промежуточном канале 78, находящемся между турбиной 80 компрессора и силовой турбиной 82 в секции 28 турбины, имеет давление Р4 в промежуточном канале между турбинами и температуру Т4 в промежуточном канале между турбинами. Выхлопной газ 84, выходящий из газотурбинного двигателя 10, имеет давление Р5 выхлопа и температуру Т5 выхлопа.
Непосредственно измеряемыми параметрами могут быть давление Р0 на входе в двигатель, температура Т0 на входе в двигатель, температура Т1 на входе в компрессор, давление Р1 на входе в компрессор, давление Р2 на выходе из компрессора, температура Т2 на выходе из компрессора, давление Р4 в промежуточном канале между турбинами, температура Т4 в промежуточном канале между турбинами, температура Т5 выхлопа, рабочая температура газотурбинного двигателя, расход QF топлива, состав QH топлива, температура QT топлива или отношение SPLIT разделения топлива на основное и пилотное. Все эти переменные могут быть измерены при помощи одного или более датчиков, которые не показаны.
Используемое сокращение для рабочей температуры газовой турбины зависит от типа газотурбинного двигателя и может быть следующим: ТОР, TMAX или TLIMIT, и эта температура вычисляется на основе некоторых из указанных выше измеряемых значений (не показано).
Переменными, значение которых может предполагаться на основе параметров взаимосвязи, могут быть давление Р1 на входе в компрессор, расход QF топлива, состав QH топлива и температура Т5 выхлопа.
При определении переменных, получаемых на основе термодинамики, объединяют непосредственные измерения и характеристики компонентов, полученные при тестировании двигателя на заводе, и этими переменными могут быть давление Р3 на выходе из камеры сгорания, температура Т3 на выходе из камеры сгорания, температура TFIRE пуска двигателя, отбор Р2В воздуха при подаче из компрессора или вычисляемый массовый расход MCI на входе.
Вместе с тем, также могут учитываться фундаментальные конструктивные особенности системы сжигания (используемые в модели кинетики химических реакций), которыми могут быть геометрия компонентов камеры сгорания, либо вычисляемые или получаемые характеристики этого устройства.
Р2, T2, SPLIT, QH, QF, TFIRE, P2B и MCI являются главными входными параметрами для PEMS-модели или используемой параметрической модели 100, соответственно.
Затем на этапе 102b выполняют прогон модели 102 в диапазоне входных условий или, другими словами, модель 102 выполняют с изменением упомянутой, по меньшей мере, одной выбранной первой переменной MCI состояния, при этом дополнительную входную информацию или другие входные переменные или выбранные вторые переменные P0, P1, P2, P3, P4, T0, T1, T2, T3, T4, T5, P2B, MCI, TFIRE, QF, QH, QT, SPLIT состояния в модели 102 сохраняют неизменными.
Это может быть сделано для нескольких или всех переменных из P0, P1, P2, P3, P4, T0, T1, T2, T3, T4, T5, P2B, MCI, TFIRE, QF, QH, QT, SPLIT индивидуально. За счет изменения индивидуальных граничных параметров/переменных P0, P1, P2, P3, P4, T0, T1, T2, T3, T4, T5, P2B, MCI, TFIRE, QF, QH, QT, SPLIT при сохранении других из них неизменными (пока это целесообразно на практике) получают влияние каждого из перечисленных параметров на выбросы в диапазоне моделирования с этими параметрами.
Параметры/переменные из P0, P1, P2, P3, P4, T0, T1, T2, T3, T4, T5, P2B, MCI, TFIRE, QF, QH, QT, SPLIT, которые должны изменяться, это те, для которых возможно эквивалентное непосредственное измерение "на месте эксплуатации" (P0, P1, P2, P4, T0, T1, T2, T4, T5, QF, QH, QT, SPLIT), значение которых можно предположить на основе доказанной взаимосвязи с другими непосредственно измеряемыми параметрами (P1, P3, T3, QF, QH, T5), или которые имеют значение, получаемое на основе термодинамики при объединении непосредственных измерений и характеристик компонентов, полученных при тестирования газотурбинного двигателя 10 на заводе (P3, T3, TFIRE, P2B, MCI).
На этапе 102с модели 102 получают "профили" 106, 106' выбросов при изменении входных параметров или выбранных первых и вторых переменных P0, P1, P2, P3, P4, T0, T1, T2, T3, T4, T5, P2B, MCI, TFIRE, QF, QH, QT, SPLIT состояния, соответственно. Результаты изменений могут быть представлены графически и известны как параметр "профиль" 106, 106'. Два примерных профиля 106, 106' показаны на Фиг.5 и Фиг.6, на них приведены диаграммы зависимости выброса NOx соответственно от температуры Т2 на входе камеры сгорания (Фиг.5) и отношения SPLIT разделения топлива на основное и пилотное (Фиг.6), полученные с использованием модели 102 кинетики химических реакций.
Как можно видеть на Фиг.5 и 6, режим выбросов газотурбинного двигателя 10 описан с использованием дополнительной переменной OUT состояния для этого двигателя, а именно, уровня выброса NOx. Другими словами, дополнительная переменная OUT состояния, которая отражает режим выбросов газотурбинного двигателя 10, представляет собой выходную информацию модели 102 (см. также Фиг.3).
Затем на этапе 100а ("Получить стандарты переноса, основанные на математических функциях для уровней выбросов") осуществляется параметризация 110 или выполняется параметрическая модель. Это осуществляется путем использования смоделированного режима состояния при изменении упомянутой, по меньшей мере, одной выбранной первой переменной P0, P1, P2, P3, P4, T0, T1, T2, T3, T4, T5, P2B, MCI, TFIRE, QF, QH, QT, SPLIT состояния, а именно, путем использования дискретизации, полученной в результате изменения этой переменной и смоделированного режима состояния, в частности, смоделированного значения переменной для смоделированного режима состояния, а именно, путем определения параметризации 100 с использованием аппроксимации дискретизации при помощи непрерывной функции.
Другими словами, профили 106, 106' выбросов или их графические представления, соответственно, преобразуются в относительно простые математические функции (как правило, выражения с многочленом).
Примером такой математической функции может быть следующая функция, представляющая зависимость переменной OUT выброса NOx от давления PCD при подаче из компрессора, или давления Р2 на выходе из компрессора:
NOx=12,26+(4,93Е-31 * Р25)+(3,157Е-18 * Р25) - (1,88Е-24 * Р24) - (8,267Е-13 * Р22) - (4,58Е-38 * Р25) -(0,0000034 * Р2)
На следующем этапе 100b спрогнозированные выбросы сравниваются с данными измерений. Если требуется, функция может быть урезана. Вместе с тем, математические функции могут быть проверены с использованием данных экспериментальной установки (при этом допустимы небольшие постоянные отклонения), чтобы обеспечить более точное соответствие спрогнозированных и вычисленных значений.
Параметризацию 100 режима выбросов газотурбинного двигателя 10 выполняют путем индивидуальных параметризаций 100 для упомянутой, по меньшей мере, одной выбранной первой переменной P0, P1, P2, P3, P4, T0, T1, T2, T3, T4, T5, P2B, MCI, TFIRE, QF, QH, QT, SPLIT состояния и для каждой выбранной второй переменной P0, P1, P2, P3, P4, T0, T1, T2, T3, T4, T5, P2B, MCI, TFIRE, QF, QH, QT, SPLIT состояния по отдельности.
Помимо этого, одна индивидуальная параметризация 100 или каждая из таких параметризаций режима выбросов газотурбинного двигателя 10 является представлением в двухмерном пространстве состояний.
Если говорить в общем, новаторский способ содержит следующие этапы: выполняют параметризацию 100 режима выбросов газотурбинного двигателя 10 для, по меньшей мере, одной выбранной первой переменной P0, P1, P2, P3, P4, T0, T1, T2, T3, T4, T5, P2B, MCI, TFIRE, QF, QH, QT, SPLIT состояния этого двигателя с использованием модели 102, которая отражает режим выбросов этого двигателя, и определяют режим выбросов газотурбинного двигателя 10 с использованием параметризации 100.
Для создания алгоритма PEMS или модели 104 (см. Фиг.2) используются математические функции. Различные математические функции, представляющие зависимости переменных P0, P1, P2, P3, P4, T0, T1, T2, T3, T4, T5, P2B, MCI, TFIRE, QF, QH, QT, SPLIT, OUT состояния, включаются в пакет программ. Это показано на Фиг.7, на которой приведена блок-схема двух возможных рабочих режимов для мониторинга выбросов и управления выбросами газотурбинного двигателя 10 с использованием PEMS-модели. В результате, когда газотурбинный двигатель 10 прогоняют на месте эксплуатации, влияния при изменении каждого из параметров P0, P1, P2, P3, P4, T0, T1, T2, T3, T4, T5, P2B, MCI, TFIRE, QF, QH, QT, SPLIT суммируют с использованием математических функций для вычисления прогнозируемых выбросов (этап 108). Таким образом, параметризация 100 режима выбросов газотурбинного двигателя 10 используется для прогнозирования режима выбросов при заранее определенных значениях упомянутой, по меньшей мере, одной выбранной первой переменной P0, P1, P2, P3, P4, T0, T1, T2, T3, T4, T5, P2B, MCI, TFIRE, QF, QH, QT, SPLIT.
Модель 102 или результирующая PEMS-модель 104 могут быть реализованы в блоке 18 обработки в газотурбинном двигателе 10 (на Фиг.7 - слева) или могут представлять собой самостоятельный пакет программ (на Фиг.7 - справа).
Спрогнозированные уровни выбросов могут сохраняться в базе данных (этап 110), или могут передаваться в систему управления двигателем (этап 112), и могут использоваться для управления уровнями выбросов газотурбинного двигателя 10. Это может быть сделано путем регулирования отношения SPLIT разделения топлива на основное и пилотное в устройстве 20 для подачи топлива таким образом, чтобы повлиять на уровень выбросов в соответствии с прогнозом модели 102 (этап 114).
В результате изобретение позволяет прогнозировать уровни выбросов и управлять выбросами (в первую очередь, NOx и СО) с использованием профилей выбросов, полученных при помощи математических расчетов и основанных на моделях кинетики химических реакций для измеряемых входных параметров и параметров, получаемых на основе термодинамики.
Необходимо отметить, что термин "содержащий" не подразумевает исключение других элементов или этапов, а указание в единственном числе не исключает наличия множества. Кроме того, элементы, описанные применительно к разным вариантам, могут быть скомбинированы. Необходимо также отметить, что ссылочные обозначения в пунктах формулы изобретения не должны восприниматься как ограничивающие объем этих пунктов.
Хотя изобретение проиллюстрировано и подробно описано при помощи предпочтительных вариантов его реализации, оно не ограничивается рассмотренными примерами, и специалистом в данной области техники на их основе могут быть получены различные модификации, без выхода за пределы объема этого изобретения.
Реферат
Настоящее изобретение относится к способу определения режима выбросов газотурбинного двигателя (10). Для обеспечения надежной работы газотурбинного двигателя (10) способ определения режима выбросов содержит несколько этапов. Сначала создают (102а) модель (102) системы газотурбинного двигателя (10). Затем выполняют прогон (102b) модели (102), изменяя по меньшей мере одну выбранную первую переменную (Р0, P1, P2, P3, P4, T0, T1, T2, T3, T4, T5, P2B, MCI, TFIRE, QF, QH, QT, SPLIT) состояния, используемую в качестве входной информации модели (102), и получают (102c) выходную информацию (OUT) модели (102), представляющую собой режим выбросов газотурбинного двигателя (10). Выполняют параметризацию (100) режима выбросов газотурбинного двигателя (10) для одной выбранной первой переменной (Р0, P1, P2, P3, P4, T0, T1, T2, T3, T4, T5, P2B, MCI, TFIRE, QF, QH, QT, SPLIT) состояния газотурбинного двигателя (10) посредством преобразования выходной информации (OUT) в математические функции и определяют режим выбросов газотурбинного двигателя (10) с использованием математических функций. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.
