Способ и устройство для управления турбиной на основе зависимости температуры выхлопного газа от коэффициента давления турбины - RU2539941C2

Чертежи

Показать все 9 чертежа(ей)

Описание

Область техники

Варианты осуществления настоящего изобретения в общем относятся к способам и системам и, в частности, к устройствам и способам управления турбиной.

Уровень техники

Турбомашины, используемые, например, на электростанциях или в реактивных двигателях, постоянно развиваются на основе новых открытий и улучшенных материалов. Кроме того, производители таких машин находятся под давлением возрастающих требований, касающихся производства более экологически чистых машины, то есть требований снижения объема загрязнения окружающей среды в процессе эксплуатации машин.

Соответственно ведутся исследования по уменьшению выбросов выхлопного газа из турбомашин с учетом желания использовать широкий ассортимент газового топлива. Выполнение этих требований становится все более трудной задачей, особенно принимая во внимание широкий диапазон эксплуатации таких устройств. В этих условиях точное управление температурой выхлопного газа турбомашины становится важным фактором для разработки успешных применений.

Один из подходов по снижению загрязнения, создаваемого турбомашиной, базируется на принципе зависимости температуры выхлопного газа от коэффициента давления в компрессоре. В заявке на патент США 2008/0243352, содержание которой в полном объеме включено в настоящую заявку путем ссылки, описано, что известные системы управления могут выполнять алгоритмы планирования, которые управляют скоростью потока топлива, входным направляющим аппаратом (inlet guide vanes, IGV) и другими входными сигналами управления для обеспечения безопасной и эффективной работы газовой турбины. Системы управления газовой турбиной могут получать на входе эксплуатационные параметры и установочные параметры, которые в сочетании с алгоритмами планирования определяют настроечные параметры управления турбиной для достижения заданного функционирования. Измеряемые эксплуатационные параметры могут включать давление и температуру на входе в компрессор, давление и температуру на выходе компрессора, температуру выхлопного газа турбины и выходную мощность генератора. Требуемые эксплуатационные установочные параметры могут включать выходную мощность генератора и энергию выхлопного газа. Графики (например, температуры выхлопного газа от коэффициента давления в компрессоре, распределения топлива от эталонной температуры горения, теплоты, отобранной на вход (inlet bleed heat, IBH) от IGV, предельной границы работы компрессора от скорректированной скорости вращения и входного направляющего аппарата и т.д.) задаются для предохранения турбины от выхода за пределы известных эксплуатационных границ (например, по выбросам, динамике, разрыву из-за давления, помпажу компрессора, обледенению компрессора, зазорам компрессора, по аэромеханическим параметрам и т.п.) на основе автономных полевых испытаний или лабораторных данных. Затем по выходным данным графиков определяют соответствующие корректировки входных данных системы управления. Типичные входные данные управления, обрабатываемые системой управления, могут включать скорость потока топлива, распределение топлива в камере сгорания (которое может в дальнейшем называться «распределением топлива»), положение входного направляющего аппарата и теплоту, отобранную на вход.

На фиг.1, которая аналогична фиг.1 заявки на патент США 2008/0243352, приведен пример газовой турбины 10, содержащей компрессор 12, камеру 14 сгорания, турбину 16, соединенную с компрессором 12, и компьютерную систему (контроллер) 18 управления. Впускной канал 20 к компрессору 12 может обеспечить подачу воздуха из окружающей среды в компрессор 12. Впускной канал 20 может содержать каналы, фильтры, экраны и устройства уменьшения шума, которые обеспечивают снижение давления окружающего воздуха, поступающего через впускной канал 20 во входной направляющий аппарат 21 компрессора 12. Выхлопной канал 22 для турбины направляет газообразные продукты горения с выхода турбины 10 с помощью, например, устройств управления выбросами и уменьшения шума. Величина потери входного давления и противодавления может изменяться во времени из-за добавления элементов, а также из-за засорения пылью и грязью впускного канала 20 и выхлопного канала 22. Турбина 10 может приводить в движение генератор 24, который вырабатывает электроэнергию.

Как описано в заявке на патент США 2008/0243352, работа газовой турбины 10 может контролироваться несколькими датчиками 26, выполненными с возможностью измерения различных характеристик турбины 10, генератора и окружающей среды, влияющих на эффективность эксплуатации. Например, группы дополнительных датчиков 26 температуры могут контролировать температуру окружающей среды вокруг газовой турбины 10, температуру на выходе компрессора, температуру выхлопного газа турбины и производить другие измерения температуры потока газа через газовую турбину 10. Аналогичным образом, группы дополнительных датчиков 26 давления могут контролировать давление окружающей среды, а также уровни статического и динамического давления на входе в компрессор и на выходе выхлопного газа из турбины, в других местоположениях в потоке газа через газовую турбину 10. Группы дополнительных датчиков 26 влажности, например психрометров, могут измерять влажность окружающей среды во впускном канале компрессора 12. Группы дополнительных датчиков 26 могут также включать датчики скорости потока, датчики скорости, датчики обнаружения возгорания, датчики положения клапана, датчики угла направляющих лопаток или подобные датчики, которые измеряют различные параметры, имеющие отношение к работе газовой турбины 10. В настоящем описании термин «параметры» относится к наименованиям, которые могут использоваться для задания условий эксплуатации турбины, таких как, не ограничиваясь этим, температура, давление и скорость потока газа в определенных местоположениях в турбине.

Описанная в заявке на патент США 2008/0243352А система 28 управления топливом управляет подачей топлива от топливоподачи в камеру 14 сгорания, одно или более распределений топлива, протекающего в первичные и вторичные топливные форсунки, а также количество топлива, смешанного с вторичным воздухом, поступающим в камеру сгорания.

Система 28 управления топливом может также выбирать вид топлива для камеры сгорания. Система 28 управления топливом может быть отдельным блоком или может быть компонентом главного контроллера 18. Контроллер 18 может быть компьютерной системой, содержащей по меньшей мере один процессор, который выполняет программы и операции для управления работой газовой турбины с использованием входных данных от датчиков и команд человека-оператора. Программы и операции, исполняемые контроллером 18, могут включать, помимо прочего, измерение или моделирование эксплуатационных параметров, моделирование эксплуатационных границ, применение эксплуатационных граничных моделей, применение алгоритмов планирования и применение логики граничного управления для замыкания контура на границах. Команды, сформированные контроллером 18, могут побуждать приводы на газовой турбине, например, управлять клапанами (привод 27) между топливоподачей и камерами сгорания, которые регулируют поток, распределение топлива и вид топлива, поступающего в камеры сгорания, управлять входным направляющим аппаратом (приводом 29) на компрессоре, регулировать тепло, отбираемое на вход, а также активировать другие управляющие установки на газовой турбине.

В заявках на патент США №2002/0106001 и №2004/0076218, содержание которых включено в настоящую заявку путем ссылки, описаны способ и система настройки алгоритмов управления турбиной для выполнения точного расчета температуры горения и эталонной температуры горения в газовой турбине, поскольку содержание водяных паров в рабочей текучей среде существенно отличается от значения, рассчитанного при проектировании. Указанные заявки раскрывают использование температуры выхлопного газа турбины и давления в турбине для регулирования температуры горения.

Однако известные способы и системы имеют ограниченные возможности управления газовой турбиной и, соответственно, было бы желательно создать системы и способы, которые обеспечивают более точное управление температурой горения и/или более точное управление параметрами горения, и/или более точное управление выбросом выхлопного газа.

Сущность изобретения

В соответствии с одним из примеров осуществления изобретения предлагается способ управления рабочей точкой газовой турбины, содержащей компрессор, камеру сгорания и по меньшей мере турбину. Способ включает определение давления выхлопного газа турбины на выходе турбины, измерение давления на выходе компрессора, определение коэффициента давления турбины на основе давления выхлопного газа турбины и давления на выходе компрессора, вычисление температуры выхлопного газа на выходе турбины как функции от коэффициента давления турбины, определение эталонной кривой температуры выхлопного газа в плоскости, заданной температурой выхлопного газа и коэффициентом давления турбины, при этом эталонная кривая температуры выхлопного газа содержит точки, являющиеся оптимальными для работы газовой турбины, и управление газовой турбиной для удержания рабочей точки на эталонной кривой температуры выхлопного газа.

В соответствии с другим примером осуществления изобретения предлагается газовая турбина, имеющая управляющее устройство для управления рабочей точкой газовой турбины. Газовая турбина содержит компрессор, выполненный с возможностью сжатия текучей среды, камеру сгорания, соединенную с выходом компрессора и выполненную с возможностью смешивания сжатой текучей среды с топливом, по меньшей мере турбину, соединенную с компрессором и выполненную с возможностью расширения отработанного газа из камеры сгорания для выработки электроэнергии на выходе газовой турбины, датчик давления, расположенный на выходе компрессора для измерения давления на выходе компрессора, и процессор, который взаимодействует с датчиком давления. Процессор выполнен с возможностью определения давления выхлопного газа турбины на выходе турбины, определения коэффициента давления турбины на основе давления выхлопного газа турбины и давления на выходе компрессора, вычисления температуры выхлопного газа на выходе турбины как функции от коэффициента давления турбины, определения эталонной кривой температуры выхлопного газа в плоскости, заданной температурой выхлопного газа и коэффициентом давления турбины, при этом эталонная кривая температуры выхлопного газа содержит точки, являющиеся оптимальными для работы газовой турбины, и управление газовой турбиной для удержания рабочей точки на эталонной кривой температуры выхлопного газа.

В соответствии с другим примером осуществления изобретения предлагается машиночитаемый носитель, содержащий исполняемые компьютером команды, которые при их исполнении реализуют способ управления рабочей точкой газовой турбины, содержащей компрессор, камеру сгорания и по меньшей мере турбину. Способ включает определение давления выхлопного газа на выходе турбины, измерение давления на выходе компрессора, определение коэффициента давления турбины на основе давления выхлопного газа турбины и давления на выходе компрессора, вычисление температуры выхлопного газа на выходе турбины как функции от коэффициента давления турбины, определение эталонной кривой температуры выхлопного газа в плоскости, заданной температурой выхлопного газа и коэффициентом давления турбины, при этом эталонная кривая температуры выхлопного газа содержит точки, являющиеся оптимальными для работы газовой турбины, и управление газовой турбиной для удержания рабочей точки на эталонной кривой температуры выхлопного газа.

Краткое описание чертежей

Прилагаемые чертежи, которые составляют часть настоящего описания, иллюстрируют один или более вариантов осуществления изобретения и вместе с описанием служат для объяснения данных вариантов.

На фиг.1 приведена структурная схема известной газовой турбины.

На фиг.2 приведена структурная схема газовой турбины, представленной в варианте осуществления настоящего изобретения.

На фиг.3 приведен график, иллюстрирующий изменение температуры выхлопного газа в зависимости от коэффициента давления турбины в соответствии с примером осуществления изобретения.

На фиг.4 приведено схематическое изображение зависимости между рабочими точками и оптимальными рабочими точками для газовой турбины в соответствии с примером осуществления изобретения.

На фиг.5 приведена схематическая диаграмма плоскости зависимости температуры выхлопного газа от коэффициента давления турбины в соответствии с примером осуществления изобретения.

На фиг.6 приведено схематическое изображение эталонной кривой температуры выхлопного газа в плоскости на фиг.5 в соответствии с примером осуществления изобретения.

На фиг.7 приведена блок-схема, иллюстрирующая шаги вычисления контрольной точки температуры выхлопного газа турбины в соответствии с примером осуществления изобретения.

На фиг.8 приведена блок-схема, иллюстрирующая шаги управления газовой турбиной в соответствии с примером осуществления изобретения.

На фиг.9 приведена структурная схема контроллера, используемого для управления газовой турбиной.

Подробное описание изобретения

В последующем описании примеров осуществления изобретения сделаны ссылки на приложенные чертежи. Одинаковые цифровые обозначения на разных чертежах обозначают одни и те же или аналогичные элементы. Последующее подробное описание не ограничивает изобретение. Объем изобретения определяется формулой изобретения. Последующие варианты осуществления изобретения для простоты обсуждаются с точки зрения терминологии и структуры газотурбинной системы с одним валом. Однако варианты осуществления изобретения не ограничиваются данными системами и могут быть применены к другим системам, например, газовым турбинам с множеством валов.

Ссылка в пределах описания на «один вариант» или «вариант» означает, что конкретная особенность, структура или характеристика, описанные в связи с вариантом осуществления изобретения, включены по меньшей мере в один вариант осуществления изобретения. Таким образом, использование фразы «в одном варианте» или «в варианте» в различных местах описания не обязательно относится к одному и тому же варианту осуществления изобретения. Более того, конкретные особенности, структуры или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом в одном или более вариантах осуществления изобретения.

Как было указано выше в связи с фиг.1, различные параметры турбины 10 могут быть измерены и/или вычислены для определения необходимой величины, подлежащей контролю. Такой величиной является температура горения в турбине. Работа турбины считается надежной и контролируемой, если температура горения в турбине поддерживается в оптимальном диапазоне. При выходе температуры горения в турбине за пределы оптимального диапазона контроллер 18 позволяет изменять, например, скорость воздушного потока компрессора и, следовательно, коэффициент давления в компрессоре для регулирования температуры горения. Событиями, которые могут вызвать выход температуры горения за пределы оптимального диапазона, являются, например, изменение нагрузки газовой турбины или изменение состава газового топлива.

Однако предлагаемые варианты осуществления изобретения базируются не на традиционном подходе для управления газовой турбиной, а на новом подходе, например, заключающемся в управлении температурой выхлопного газа турбины на основе коэффициента давления турбины. Этот новый подход обеспечивает более точную оценку состояния газовой турбины, которая также является более чувствительной к изменениям в работе газовой турбины, например, при изменении нагрузки.

В соответствии с примером осуществления изобретения температура выхлопного газа определяется как функция от коэффициента давления турбины, и данная температура контролируется и поддерживается в определенных границах для обеспечения эффективной работы газовой турбины, например, при согласовании с базовой нагрузкой, низкой нагрузкой, высокой нагрузкой и т.п. Подробнее об определении температуры выхлопного газа и коэффициента давления турбины говорится ниже со ссылкой на фиг.2. На фиг.2 показана газовая турбина 30, имеющая компрессор 32, выполненный с возможностью приема текучей среды (например, воздуха) через впускной канал 36. На впускном канале 36 могут быть расположены датчики 34 для измерения по меньшей мере одного из следующего: давление, температура, влажность и т.д.

Текучая среда сжимается компрессором 32, и сжатая текучая среда поступает в камеру сгорания 40 по каналу 42 для смешивания с топливом (например, природным газом), поступающим по питающему каналу 44. Дополнительные датчики 34 могут быть размещены в камере 40 сгорания или вокруг нее для измерения характеристик сжатой текучей среды и/или топлива. В камере 40 сгорания происходит горение, при котором повышается температура смеси сжатой текучей среды и топлива до температуры горения. Топливо подается по питающему каналу 44 в первичные и вторичные горелки, как описано ниже. Клапаны 45а и 45b используются для подачи топлива в первичные и вторичные горелки. Блок 70 управления также выполнен с возможностью управления клапанами 45а и 45b для обеспечения необходимого процентного содержания топлива в первичные и вторичные клапаны. Поток газообразных продуктов горения, имеющих высокую энергию, поступает по каналам 52 в турбину 50, которая может быть механически соединена с помощью вала 56 с генератором 54. Генератор 54 может вырабатывать электроэнергию. Турбина 50 также механически соединена через вал 58 с компрессором 30, обеспечивая необходимой движущей силой компрессор 30. Отработанные газы выводятся из турбины 50 через выходной канал 60. Как входной канал 52, так и выходной канал 60 могут контролироваться датчиками 34.

Данные от датчиков 34 поступают в блок 70 управления. Блок 70 управления может получать дополнительные данные через входной порт 72. На основе процессов, вычисленных блоком 70 управления, различные команды подаются через выходной порт 74 в различные части газовой турбины 30, например, команды для поворота лопаток, для изменения скорости вращения вала и т.д. Подробная структура устройства 70 управления описывается ниже.

В соответствии с примером осуществления изобретения предлагается способ управления газовой турбиной на основе зависимости температуры выхлопного газа турбины (ttx), которая измеряется/определяется на выходе 60, от коэффициента давления турбины (tpr), который измеряется/определяется как отношение давления на выходе компрессора 32 к давлению выхлопного газа турбины 50. В соответствии с фиг.2 давление на выходе компрессора 32 измеряется в точке 80, а давление выхлопного газа турбины 50 измеряется в точке 60. Однако в соответствии с примером осуществления изобретения давление выхлопного газа может измеряться/оцениваться внутри камеры 40 сгорания, на входе в турбину 50 или внутри турбины 50. Эти давления подробно рассматриваются ниже. Следует отметить, что подробности, которые обсуждаются ниже, для определения ttx, используются только для иллюстрации, а не для ограничения изобретения.

На фиг.3 изображена плоскость (ttx, tpr). Каждая точка на этой плоскости может рассматриваться как принадлежащая множеству А, показанному на фиг.4. Множество А задано таким образом, что оно содержит рабочие точки для газовой турбины 30 на основе модели горения. Множество А содержит подмножество В точек. Эти точки описаны ниже и определяются как оптимальные рабочие точки для газовой турбины 30.

Точки на плоскости (ttx, tpr), то есть точки из множества А, которые соответствуют условиям постоянной температуры горения, постоянной скорости вращения, постоянному углу IGV, постоянной удельной влажности воздуха и постоянному отбору воздуха, могут быть представлены кривой 90, которая может иметь вогнутую сверху форму. Коэффициент tpr давления турбины может меняться в зависимости от температуры на входе в компрессор. Ошибка, возникающая при аппроксимации кривой 90 параболой с прямой касательной линией 92 при tpr=tpr₀, мала, и ею можно пренебречь для значений tpr, близких к tpr₀. Специалисту очевидно, что могут использоваться и другие аппроксимирующие функции.

При постепенном изменении температуры на входе в компрессор, скорости компрессора и угла IGV кривая 90 изменяется постепенно, например, при сохранении непрерывности ее первой производной. Следовательно, геометрическое место точек постоянной температуры горения, которое может быть вычислено на основе ttx, может быть аппроксимировано с помощью линейной интерполяции касательной прямой 92.

На основе точек из упомянутого множества В функция f, которая будет обсуждаться ниже, применяется для определения точек, принадлежащих множеству С. Точки из множества С являются контрольными точками для работы газовой турбины в соответствии с управляющей логикой. Другими словами, точки, принадлежащие множеству С, вычисляются, как обсуждается ниже, и оператор газовой турбины 30 регулирует некоторые параметры для удержания газовой турбины в пределах множества С. Фиг.4 иллюстрирует данную концепцию.

В соответствии с примером осуществления изобретения функция f может быть определена как f=g·h·l, где g, h и l являются математическими функциями или операторами. Например, g может быть линейной интерполяцией подходящей топливной характеристики, h может быть билинейной интерполяцией углов IGV и скорости вращения газовой турбины, а l может быть политропической коррекцией, заданной выражением p·T^((1-Y)/Y)=constant. Если задана область В, то область значений С полностью определена через функцию f. Локальные возмущения в области В производят локальные возмущения в области С. В зависимости от применения для задания функции f могут использоваться больше или меньше функций или другие функции. Другими словами, вместо упомянутых функций g, h и l могут использоваться другие функции или другое количество функций.

Теперь обсудим определение множества температур ttx, которые желательно поддерживать для эффективной работы газовой турбины 30. Предположим, что газовая турбина может работать в следующих диапазонах: для температуры окружающей среды tamb в диапазоне tamb_i-1≤tamb≤tamb_i, для IGV-угла igv в диапазоне igv_j-1≤igv≤igv_j и для скорости вращения газовой турбины в диапазоне tnh_k-1≤tnh≤tnh_k. Также предположим, что газовая турбина управляется при оптимальной температуре горения. Исходя из вышеуказанных диапазонов рабочие точки для газовой турбины могут быть представлены в пространстве (ttx, tpr), как показано на фиг.5, кривыми, заданными следующими точками. Имеются четыре точки А1-А4 для бедного топлива и самой низкой температуры окружающей среды, имеются четыре точки В1-В4 для бедного топлива и самой высокой температуры окружающей среды, имеются четыре точки С1-С4 для богатого топлива и самой низкой температуры окружающей среды и имеются четыре точки D1-D4 для богатого топлива и самой высокой температуры окружающей среды. Число точек может меняться в зависимости от характера интерполирующей функции.

Бедное топливо и богатое топливо определяются следующим образом. Газовые турбины для промышленных применений используют природный газ, который содержит СН₄ более 90%. Природный газ считается богатым газовым топливом. При смешивании природного газа с инертными газами, например азотом, углекислым газом и аргоном, получаются более бедные газовые топлива, то есть с более низким значением LHV (LHV - низшая теплота сгорания (low heating value) газа, представляющая собой количество энергии, которое может быть получено из единицы массы газа при его сгорании). Богатое топливо может быть получено при смешивании природного газа с более тяжелыми углеводородами, такими как этан, пропан и/или бутан.

Для каждого из вышеописанных множеств точек центральная точка (А5, В5, С5 и D5) определяется с помощью двух билинейных интерполяций (упомянутой функции g). Билинейная интерполяция является расширением линейной интерполяции для интерполирующих функций от двух переменных на регулярной сетке. При билинейной интерполяции выполняется линейная интерполяция сначала в одном направлении, а затем в другом направлении. Точки А5 и В5 задают кривую 100 регулирования температуры для бедного газа, а точки С5 и D5 задают кривую 102 регулирования температуры для богатого газа. Как было указано выше, может использоваться другая функция, отличная от билинейной интерполяции.

Точка ttx_setpoint определяется с помощью линейной интерполяции (упомянутой функции h или, в другом применении, других функций) двух ординат, соответствующих фактическим коэффициентам давления на двух кривых 100 и 102 регулирования, основанных на значениях LHV_actualgas, LHV_{rich gas} и LHV_{lean gas}.

Если вычисляется большее число точек для других условий и/или значений рассматриваемых параметров, то может определяться больше точек ttx_{set point}. Нанося эти точки в зависимости от коэффициента tpr давления, получают эталонную кривую 104 температуры выхлопного газа, показанную на фиг.6. Следует отметить, что эталонная кривая 104 температуры выхлопного газа лежит между двумя кривыми 100 и 102 регулирования. В соответствии с примером осуществления изобретения (не показан) кривая 104 параллельна кривым 100 и 102.

Шаги вычисления точки ttx_set point могут быть представлены на блок-схеме, показанной на фиг.7. В соответствии с фиг.7 блок 110 селектора данных получает в качестве входных данных температуру окружающей среды tamb, угол поворота лопаток IGV, скорость tnh вращения вала и матричные данные для богатого газа. Пример матричных данных для богатого газа:

ttxr

а матрица коэффициентов давления турбины для богатого газа задается в виде:

tprr

Восемь точек C1-C4 и D1-D4 (показаны на фиг.5) являются выходом блока 110 селектора данных. Эти выходные данные подаются на вход блока 112 интерполятора. Тот же процесс повторяется блоком 114 селектора данных для тех же параметров, за исключением того, что вместо матричных данных для богатого газа используется матричные данные для бедного газа. Выходные данные интерполяторов 112 и 116, то есть зависимость ttx от tpr в виде фактической кривой регулирования для богатого газа и зависимость ttx от tpr в виде фактической кривой регулирования для бедного газа, подаются на вход блока 118 вычислений для вычисления двух контрольных точек ttx. Линейный интерполятор 120 получает две контрольные точки ttx и интерполирует их для получения конечной точки ttx_{set point}. На основе выходных данных линейного интерполятора 120 блок 122 горения может вычислять изменение ttx_{set point} газовой турбины. Следует отметить, что линейный интерполятор 120 и блок 122 горения могут получать непосредственно информацию о значении LHV топливного газа.

Имея ttx_{set point}, контроллер 70 может быть запрограммирован для контроля этого значения и для регулирования различных параметров газовой турбины 30 (например, угла IGV, количества топлива и т.д.) для удержания ttx_{set point} в заранее заданном диапазоне для обеспечения эффективной работы газовой турбины. В одном примере осуществления изобретения, в котором используется газовая турбина с одним валом, ttx_{set point} может корректироваться путем регулирования угла IGV. Теперь рассчитывается эталонная кривая ttxh 104 температуры выхлопного газа, которой должна следовать газовая турбина.

Рассмотрим три вектора, которые определяют эксплуатационные параметры газовой турбины. Этими векторами являются tamb, igv и tnh, которые соответствуют температуре окружающей среды, углу IGV и скорости вращения вала. Математические выражения для этих трех векторов следующие:

tamb=[tamb_i]=[tamb₁, tamb₂, …, tamb₇]

с индексом i, равным

2, если tamb2,

3, если tamb₂≤tamb3,

4, если tamb₃≤tamb4,

5, если tamb₄≤tamb5,

6, если tamb₅≤tamb6,

7, если tamb₆≤tamb,

где tamb является фактической температурой окружающей среды.

Вектор угла igv определяется следующим образом:

igv=[igv_j]=[igv₁, igv₂, …, igv₆] с индексом j, равным:

2, если igv2,

3, если igv₂≤igv3,

4, если igv₃≤igv4,

5, если igv₄≤igv5,

6, если igv₅≤igv,

где igv является фактическим углом igv.

Вектор скорости вращения вала tnh определяется следующим образом:

tnh=[tnh_k]=[tnh₁, tnh₂, tnh₃, tnh₄] с индексом k, равным:

2, если tnh2,

3, если tnh₂≤tnh3,

4, если tnh₃≤tnh,

где tnh является процентной фактической скоростью вращения вала. Значения i, j и k меняются в зависимости от применения и могут принимать различные значения.

Четыре трехмерные матрицы вводятся для расчета эталонной кривой ttxh температуры выхлопного газа, то есть эталонной кривой, используемой оператором для управления газовой турбиной. В соответствии с одним из примеров осуществления изобретения, кривую ttxh можно рассматривать как геометрическое место точек, в которых турбина работает при оптимальных значениях ttx и tpr. Четыре матрицы представляют матрицу ttxl температуры выхлопного газа для бедного топлива, матрицу tprl коэффициентов давления для бедного топлива, матрицу ttxr температуры выхлопного газа для богатого топлива и матрицу tprr коэффициентов давления для богатого топлива. Элементы этих матриц приведены ниже:

ttxl=[ttxl_i,j,k] для бедного топлива,

tprl=[tprl_i,j,k] для бедного топлива,

ttxr=[ttxl_i,j,k] для богатого топлива, и

tprr=[tprr_i,j,k] для богатого топлива.

Предполагая, что фактические условия эксплуатации tamb, igv и tnh находятся в пределах диапазонов tamb_i-1≤tambi, igv_j-1≤igvj и tnh_k-1≤tnhk, фактическая эталонная кривая ttxh имеет вид

ttxh=ttxha+Δttxh,

где ttxha - эталонная кривая для работы газовой турбины в оптимальных точках ttx и tpr, но с учетом давления на входе в компрессор и падения давления выхлопного газа газовой турбины, a Δttxh - поправка к ttxha, используемая для поддержания оптимальных значений температуры горения в турбине, в то время как меняются падение давления на входе и падение давления выхлопного газа турбины.

Эталонная кривая ttxha определяется как

ttxha=ttxhr·(LHV-LHVI)/(LHVr-LHVI)+ttxhl·(LHVr-LHV)/(LHVr-LHVI),

где параметры, задающие ttxha, определяются следующим образом:

ttxhr=ttxr_i-1+(ttxr_i-ttxr_i-1)/(tprr₁-tprr_i-1)·(tpr-tprr_i-1),

ttxhl=ttxl_i-1+(ttxl_i-ttxl_i-1)/(tprl_i-tprl_i-1)·(tpr-tprl_i-1),

LHV - низшая теплота сгорания фактического топлива,

LHVI - низшая теплота сгорания бедного топлива,

LHVr - низшая теплота сгорания богатого топлива.

Применяются следующие билинейные интерполяции:

ttxl_i-1=BilinearInterpolation(ttxl_i-1,j-1,k-1, ttxl_i-1,j,k-1, ttxl_i-1,j,k, ttxl_i-1,j-1,k, igv, tnh)=

ttxl_i-1,j-1,k-1(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

ttxl_{i-1,j, k-1}·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

ttxl_i-1,j,k·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1)+

ttxl_i-1,j-1,k·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1),

ttxl_i=BilinearInterpolation(ttxl_i,j-1,k-1, ttxl_i,j,k-1, ttxl_i,j,k, ttxl_i,j-1,k, igv, tnh)=

ttxl_i,j-1,k-1·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

ttxl_i,j,k-1·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

ttxl_i,j,k·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1)+

ttxl_i,j-1,k·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1),

tprl_i-1=BilinearInterpolation(tprl_i-1,j-1,k-1, tprl_i-1,j,k-1, tprl_i-1,j,k, tprl_i-1,j-1,k, igv, tnh)=

tprl_i-1,j-1,k-1·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

tprl_i-1,j,k-1·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

tprl_i-1,j,k·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1)+

tprl_i-1,j-1,k·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1),

tprl_i=BilinearInterpolation(tprl_i,j-1,k-1, tprl_i,j,k-1, tprl_i,j,k, tprl_i,j-1,k, igv, tnh)=

tprl_i,j-1,k-1·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

tprl_i,j,k-1·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

tprl_i,j,k·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1)+

tprl_i,j-1,k·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1),

ttxr_i-1=BilinearInterpolation(ttxr_i-1,j-1,k-1, ttxr_i-1,j,k-1, ttxr_i-1,j,k, ttxr_i-1,j-1,k, igv, tnh)=

=ttxr_i-1,j-1,k-1 (igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

ttxr_i-1,j,k-1·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

ttxr_i-1,j,k·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1)+

ttxr_i-1,j-1,k·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1),

ttxr_i=BilinearInterpolation(ttxr_i,j-1,k-1, ttxr_i,j,k-1, ttxr_i,j,,k, ttxr_i,j-1,k. igv, tnh)=

ttxr_i,j-1,k-1·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

ttxr_i,j,k-1·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

ttx_i,j,k·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1)+

ttxr_i,j-1,k·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1),

tprr_i-1=BilinearInterpolation(tprr_i-1,j-1,k-1, tprr_i-1,j,_k-1. tprr_i-1,j,k, tprr_i-1,j-1,k, igv, tnh)=

tprr_i-1,j-1,k-1·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

tprr_i-1,j,k-1·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

tprr_i-1,j,k·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1)+

tprr_i-1,j-1,k·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1), and

tprr_i=BilinearInterpolation(tprr_i,j-1,k-1, tprr_i,j,k-1, tprr_i,j,k, tprr_i,j-1,k, igv, tnh)=

tprr_i,j-1,k-1·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

tprr_i,j,k-1·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

tprr_i,j,k·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1)+

tprr_i,j-1,k·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1)

Поправка Δttxh имеет вид

Δttxh=ttxh·((pamb_actual+Δp_{exhaust ref})/(pamb_actual+Δp_exhaust))^(Y/(1-Y))-1)+((pamb_actual-Δp_{inlet ref})/(pamb_actual-Δp_inlet))^(Y/(1-Y))-1)),

где Y=a·tpr+b, а и b являются константами, и Y устанавливается так, чтобы соблюдалось политропическое расширение газа в газовой турбине (р·t^((1-Y)/Y)/v)=constant).

Поправка Δttxh учитывает, среди прочего, фактическое падение давления выхлопного газа газовой турбины и фактическое падение давления на входе. Поскольку кривая регулирования температуры газовой турбины (например, ttxh) зависит от эталонного падения Δp_{exhaust ref} давления выхлопного газа и эталонного падения Δp_{inlet ref} давления на входе, имеется возможность корректировать эти кривые для различных падений давления выхлопного газа и давления на входе, используя, например, функцию Δttxh.

Значение фактического падения Ap_{inlet act} давления на входе может измеряться вместо того, чтобы оцениваться в зависимости от величины загрязнения на входе в компрессор. Другими словами, падение давления во входной системе компрессора зависит от условий газового потока и загрязненности входного фильтра, и периодическое осаждение и удаление загрязнения может вызвать непредсказуемую изменчивость падения входного давления во времени. В одном применении, если LHV-сигнал недоступен, например, из-за неисправности калориметра или проблем с калибровкой, контроллер 70 может быть выполнен с возможностью использования значения LHV_defauit вместо фактического значения LHV.

Вышеуказанные билинейные интерполяции, линейная интерполяция и политропическое расширение, примененные, как показано выше, в отношении параметров газовой турбины, например, углов IGV и скорости вращения вала в различных точках i, j и k разрешенных диапазонов, формируют ttx_{set point} на эталонной кривой ttxh. В одном примере осуществления изобретения множество ttx_{set point} вычисляется для газовой турбины в различных условиях, и все эти точки ttx_{set point} являются частью кривой ttxh. Другие эталонные кривые могут быть определены из ttxh, как будет описано ниже. Эти дополнительные эталонные кривые также могут использоваться для управления работой газовой турбины.

В соответствии с примером осуществления изобретения для управления газовой турбиной можно использовать эталонную зависимость температуры выхлопного газа от коэффициента давления компрессора TTRX. Кривая TTRX может быть определена как TTRX=Min(Isotherm_NO, ttxh), где Isotherm_NO определяется как изотерма газовой турбины в нормальных условиях эксплуатации. В одном применении Isotherm_NO представляет собой максимальную температуру, которой может быть подвергнут ротор турбины. Кривая регулирования для зависимости температуры выхлопного газа от IGV может быть определена как TTRXGV=TTRX. Кривая регулирования для температуры выхлопного газа от топлива может быть определена как TTRXB=TTRXB_NO, если режим пиковой нагрузки отключен, и как TTRXB=TTRXB_PK, если режим пиковой нагрузки включен. Режим пиковой нагрузки определяется как работа газовой турбины в постоянных условиях эксплуатации (температура окружающей среды, давление, скорость вращения вала, положение IGV и состав топливного газа) и обеспечивает мощность выше номинальной. Это состояние возникает, когда рабочая температура горения в газовой турбине становится выше номинальной температуры. TTRXB_NO задается как TTRX+Min((IGV_max - IGV_{set point})·Δ1, Δ2), где Δ2 является значением, которое ограничивает значение функции Min, а TTRXB_PK задается как Min(Isotherm_PK, ttxh+ΔРК). ΔРК задается выражением

ΔРК=Δttxr·(LHV-LHVI)/(LHVr-LHVI)+Δttxl·(LHVr-LHV)/(LHVr-LHVI), где LHV - низшая теплота сгорания фактического топлива,

LHVI - низшая теплота сгорания бедного топлива,

LHVr - низшая теплота сгорания богатого топлива,

Δttxl=Δttxl_i-1+(Δttxl_i-Δttxl_i-1)·(tamb-tamb_i-1)/(tamb_i-tamb_i-1), и

Δttxr=Δttxl_i-1+(Δttxr_i-1-Δttxr_i-1)·(tamb-tamb_i-1)/(tamb_i-tamb_i-1).

Указанное выше управление температурой выхлопного газа посредством IGV и управление температурой выхлопного газа с помощью кривых топлива могут быть использованы для управления газовой турбиной следующим образом. Газовой турбиной можно управлять, изменяя, например, скорость вращения вала турбины, угол IGV (который напрямую регулирует объем воздуха, подаваемого в компрессор), количество топлива, подаваемого в камеру сгорания, соотношение топливо-воздух, подаваемое в камеру сгорания и т.д. В соответствии с примером осуществления изобретения для газовой турбины с одним валом угол IGV используется в первую очередь для управления работой газовой турбины, то есть для удержания ttx_{act point} на кривой ttxh, вычисленной выше (в плоскости зависимости ttx от tpr). Другими словами, когда фактическая точка ttx_{act poin}t отклоняется от кривой ttxh в силу различных состояний газовой турбины (например, изменения нагрузки), первое управляющее воздействие регулирует угол IGV для подведения ttx_{act point} газовой турбины к ttx_setpoint. Однако это управляющее воздействие может достичь точки насыщения, то есть точки, для которой угол IGV дальше не может быть изменен или если дальнейшее изменение производить нежелательно. В данной точке можно изменять объем топлива, подаваемого в газовую турбину, до тех пор пока ttx_{act point} не совпадет с ttx_{set point}. Если данное управляющее воздействие достигает насыщения, можно изменить зависимость между текучей средой, предоставляемой компрессором, и топливом, инжектируемым в камеру сгорания, тем самым ограничивая скорость потока топлива и в дальнейшем регулируя ttx_{act point}.

Чтобы полностью определить кривую ttxh на плоскости зависимости ttx от tpr, ниже обсуждается определение давления tpr в турбине. Давление выхлопного газа газовой турбины гораздо легче оценить, чем измерить. Хотя давления, участвующие в определении давления в турбине tpr, могут быть измерены, предпочтительно рассчитать tpr, поскольку расчетное значение является более точным по сравнению с измеренным значением tpr. В этой связи следует отметить, что в местоположениях 80 и 60 в газовой турбине могут появляться вихри, что делает измеренные значения давления менее точными, так как они могут изменяться в пределах небольшого расстояния. Оценка может быть произведена на основе характеристик падения давления в воздуховоде, данных по выхлопным газам и давления окружающей среды. В соответствии с примером осуществления изобретения коэффициент tpr давления турбины определяется на основе расчетного падения давления выхлопного газа и абсолютного давления на выходе компрессора. В одном варианте осуществления изобретения падение давления выхлопного газа определяется в точке 60 (см. фиг.2), в то время как абсолютное давление на выходе компрессора определяется в точке 80 (см. фиг.2). В другом варианте для компрессора, имеющего несколько ступеней, абсолютное давление на выходе компрессора определяется после выходного диффузора, который расположен по потоку после последней ступени. В соответствии с данным примером осуществления изобретения производится измерение абсолютного давления на выходе компрессора.

В соответствии с примером осуществления изобретения падение давления выхлопного газа складывается из двух составляющих: падения давления, обусловленное протеканием массы в воздуховоде турбины 50, и восстановления давления вследствие образования тяги. Тяга может возникать из-за разницы высот между выходом газовой турбины и выходом воздуховода в атмосферу. Первая составляющая определяется как а_а·ρ_exhaust·v², а вторая составляющая определяется как (ρ_air-ρ_exhaust)·Δh. Значение каждой константы, параметра и переменной, использованных в данных расчетах, приводятся ниже. Таким образом, общее падение давления выхлопного газа, обусловленное протеканием массы в воздуховоде, может быть выражено в виде:

Δp_exhaust=a_а·p_exhaust·v²-(ρ_air-ρ_exhaust)·Δh, или

a_a·ρ_exhaust·v²=a_а·ρ_exhaust·(W_exhaust/(ρ_exhaust·a_b))²=

a_a^·(W_exhaust/a_b)²/ρ_exhaust=a/ρ_exhaust·W_exhaust².

Чтобы упростить данное выражение, предположим, что плотность ρ газа в воздуховоде не зависит от фактического падения давления выхлопного газа и зависит только от давления на выходе, которое здесь является давлением окружающей среды, поскольку предполагается, что падение давления выхлопного газа составляет только малую долю давления окружающей среды. Таким образом, можно пренебречь ошибкой, вызванной таким упрощением. Плотность ρ_exhaust выхлопного газа может быть выражена следующим образом:

ρ_exhaust=ρ_{exhaust ref}·ttx_ref/ttx_act·ρamb_act/pamb_ref..

Плотность окружающего воздуха может быть выражена следующим образом:

ρ_air=ρ_{air ref}·tamb_ref/tamb_act·pamb_act/pamb_ref,

где

ρ_exhaust - плотность выхлопного газа при температуре ttx_act и давлении pamb_act окружающей среды,

ρ_{exhaust ref} - плотность выхлопного газа при температуре ttx_ref и давлении pamb_ref окружающей среды,

ρ_air - плотность окружающего воздуха при фактическом давлении и фактической температуре,

ρ_{air ref} - плотность окружающего воздуха при эталонном давлении и эталонной температуре,

Δh - разница высот между выходом газовой турбины и выходом воздуховода в атмосферу,

v - скорость на выходе внутри воздуховода,

ttx_ref - эталонная температура выхлопного газа,

ttx_act - фактическая температура выхлопного газа,

pamb_ref - эталонное давление окружающей среды,

pamb_act - фактическое давление окружающей среды,

Wexhaust_act - фактическая массовая скорость потока выхлопного газа,

а - константа, характерная для конкретного выхлопного канала.

В данном примере осуществления изобретения предполагается, что состав выхлопного газа является по существу постоянным для режима работы с предварительным смешиванием, и, таким образом, его плотность является по существу постоянной при данной температуре.

Массовая скорость потока выхлопного газа может быть оценена следующим образом. Предположим, что массовая скорость потока воздуха компрессора не зависит от коэффициента давления в компрессоре, поскольку ошибкой, вносимой данным предположением, можно пренебречь для оценки падения давления выхлопного газа. Массовая скорость потока воздуха осевого компрессора газовой турбины может быть оценена с помощью следующей передаточной функции:

Wair_act=SG_ha·pinlet_act/pinlet_ref·(f₃·x³+f₂·x²+f₁·x+f₀)·f₄·Wair_ref·k, где

f₀=a₀·y³+b₀·y²+c₀·y,

f₁=a₁·y³+b₁·y²+c₁·y,

f₂=a_2·y³+b₁·y²+c₂·y,

f₃=a₃·y³+b₁·y²+c₃·y,

f₄=a₄₁·z³+b₄₁·z²+c₄₁·z+d₄₁ если tnh_act/tnh_refthreshold,

a₄₂·z³+b₄₂·z²+c₄₂·z+d₄₂ если tnh_act/tnh_ref≥tnh_threshold,

x=igv_act/igv_ref,

y=tnh_act/tnh_ref·(tinlet_ref/tinlet_act)⁰⁵,

z=tnh_act/tnh_ref·(tinlet_ref/tinlet_act),

a_i и a_ij - константы для конкретного применения.

Поскольку газовая турбина оборудована IBH-системой, в некоторых условиях эксплуатации с частичной нагрузкой часть воздушного потока компрессора рециркулирует и не попадает в выхлопной канал. Более того, поток топливного газа проходит полностью через выхлопной канал. Следовательно, Wexhaust_act=Wair_act·(1-IBH_fraction)+Wfuel_act. В данном примере осуществления изобретения предполагалось, что воздух для подшипников компенсирует воздух из охлаждающих вентиляторов.

Учитывая то, что при управлении газовой турбиной в отношении температуры выхлопного газа массовое отношение топливо-воздух является по существу константой для конкретного состава топливного газа, массовое отношение топливо-воздух может быть рассчитано следующим образом:

fa_ratio=Wfuel_act/Wair_act=Wfuel_ref/Wair_ref·LHV_ref/LHV_act=fa_{ratio ref}·LHV_ref/LHV_act.

IBHf_raction является контрольной точкой, которая формируется панелью управления и контролируется, пока система работоспособна. Затем массовая скорость потока выхлопного газа может быть оценена следующим образом:

Wexhaust_act=Wair_act·(1-IBH_fraction)·(1+fa_{ratio ref}·LHV_ref/LHV_act).

Удельная масса влажного воздуха SG_ha может быть оценена на основе удельной влажности следующим образом:

SG_ha=ρ_ha/ρ_da,

m_ha=m_da+m_wv,

m_da=m_ha·(1-sh),

m_wv=m_na·sh, и

V_ha=m_ha/ρ_ha=m_da/ρ_da+m_wv/ρ_wv.

Умножая последнее выражение на ρ_ha, можно получить следующее уравнение:

m_ha=m_da·ρ_ha/ρ_da+m_wv·ρ_ha/ρ_wv, где

ρ_ha/ρ_da=SG_ha and ρ_ha/ρ_wv=ρ_ha·ρ_da/ρ_da·ρ_wv=SG_ha/SG_vw.

Таким образом,

m_ha=m_da·ρ_ha/ρ_da+m_wv·ρ_ha/ρ_wv=m_da·SG_ha+m_wv·SG_ha/SG_wv, или

m_ha=(1-sh)·m_ha·SG_ha+sh·m_ha·SG_ha/SG_wv.

Разделив это последнее выражение на m_ha

1=(1-sh)·SG_ha+sh·SG_ha/SG_wv, или

SG_wv=SG_ha·((1-sh)·SG_wv+sh).

Наконец,

SG_ha=SG_wv/((1-sh)·SG_wv+sh).

Если сигнал удельной влажности недоступен или если отказал передатчик, сигнал удельной влажности может быть заменен кривой зависимости удельной влажности от температуры окружающей среды, полученной интерполяцией данных, представленных в Таблице 1:

В приведенных выше расчетах были использованы следующие обозначения:

pinlet_act - фактическое давление воздуха на входе в компрессор,

pinlet_ref - эталонное давление воздуха на входе в компрессор,

tamb - температура окружающей среды,

tinlet_act - фактическая температура воздуха на входе в компрессор, которая может быть измерена с помощью по меньшей мере двух термопар таким образом, что максимальное показание термопар считается равным tinlet_act, или в случае, если одна термопара неисправна и/или разница в показаниях слишком велика (например, 10 F), tamb считается равной tinlet_act,

tinlet_ref - эталонная температура воздуха на входе в компрессор,

tnh_act - фактическая скорость вращения компрессора,

tnh_ref - эталонная скорость вращения компрессора,

igv_act - фактический угол igv,

igv_ref - эталонный угол igv,

Wair_act - фактическая массовая скорость потока воздуха на входе в компрессор,

Wair_ref - эталонная массовая скорость потока воздуха на входе в компрессор,

Wexhaust_act - фактическая массовая скорость потока выхлопного газа,

Wfuel_act - массовая скорость потока топлива,

IBH_fraction - часть воздуха, отбираемого на выходе компрессора,

fa_{ratio ref} - эталонное массовое отношение топливо-воздух,

LHV_ref - эталонное значение LHV газового топлива,

LHV_act - фактическое значение LHV газового топлива,

sh - удельная влажность воздуха,

SG_xx - удельная масса хх (см. список индексов ниже),

ρ_хх - плотность хх (см. список индексов ниже),

m_xx - масса хх (см. список индексов ниже),

Vxx - объем хх (см. список индексов ниже),

ha - влажный воздух,

wv - водяной пар,

da - сухой воздух.

После расчета удельной массы, массовой скорости потока через компрессор и других параметров, как описано выше, можно рассчитать коэффициент давления турбины tpr. Алгоритм расчета tpr можно представить следующим образом:

- вычисляют SG_ha как SG_wv/((1-sh)·SG_wv+sh), если сигнал sh является действительным и доступным, и sh_default, если сигнал передатчика sh ошибочный;

- принимают х=igv_act/igv_ref, y=tnh_act/tnh_ref·(tinlet_ref/tinlet_act)^0.5, и z=tnh_act/tnh_ref·(tinlet_ref/tinlet_act);

- f₀=a₀·y³+b₀·y²+c₀·y,

- f₁=a₁·y³+b₁·y²+c₁·y,

- f₂=a₂·y³+b₁·y²+c₂·y,

- f₃=a₃·y³+b₁·y²+c₃·y,

- f₄=a₄₁·z³+b₄₁·z²+c₄₁·z+d₄₁ if tnh_act/tnh_refthreshold, и

- a₄₂·z³+b₄₂·z²+c₄₂·z+d₄₂ if tnh_act/tnh_ref≥tnh_threshold;

- задают Wair_act=SG_ha·ρinlet_act/ρinlet_ref·(f₃·x³+f₂·x²+f₂·x+f₀)·f₄·Wair_ref·k,

- оценивают Wexhaust_act=Wair_act·(1-IBH_fraction)·(1+fa_{ratio ref}·LHV_ref/LHV_act),

- вычисляют ρ_air=ρ_{air ref}·tamb_ref/tamb_act·pamb_act/pamb_ref,

- вычисляют ρ_exhaust=ρ_{exhaust ref}·ttx_ref/ttx_act·pamb_act/pamb_ref,

- вычисляют Δp_exhaust=a_а·ρ_exhaust·v²-(ρ_air-ρ_exhaust)·Δh и

- оценивают tpr=cpd/(pamb_act+Δp_exhaust), где cpd - абсолютное давление на выходе компрессора, которое измеряется в этом применении.

Таким образом, кривая ttxh 104 (см. фиг.6) полностью определяется на этом этапе. Если кривые регулирования температуры для газовой турбины были установлены для эталонного падения давления выхлопного газа Δp_{exhaust ref} и эталонного падения давления на входе Δp_{inlet ref}, можно скорректировать кривые регулирования температуры для другого падения давления выхлопного газа и давления на входе, например фактического, с помощью поправки Δttxh, как было указано выше.

Теперь обсудим одно или более преимуществ логики регулирования температуры, описанной выше. Поскольку вся описанная выше процедура для управления газовой турбиной базируется на матричных вычислениях, данная процедура является гибкой и обеспечивает легкую настройку по месту эксплуатации. Эта процедура может сместить контролируемую температуру выхлопного газа при нормальной или пиковой нагрузке в зависимости от значения LHV фактического топлива (или другой топливной характеристики, если оговорено иное). На основе этого смещения можно лучше регулировать выбросы загрязняющих веществ, динамику горения и пределы диапазона регулирования для камеры сгорания.

Когда разрешена работа в пиковом режиме, газовая турбина может находиться при нормальной температуре горения, если мощность базовой нагрузки достаточна, чтобы покрыть требуемую мощность ведомой машины, и газовая турбина может находиться при повышенной температуре горения, если мощность базовой нагрузки не покрывает требуемую мощность ведомой машины. Показатель пикового горения может быть смещен из-за топливных характеристик. На основе этого «интеллектуального» поведения, сохраняющего пиковый режим постоянно включенным, можно настроить газовую турбину таким образом, чтобы она была более чувствительной в случае изменения базовой нагрузки с модифицированным числом Воббе (modified Wobbe index) (MWI) и/или могла гарантировать работу при более высокой нагрузке, начиная с любой рабочей точки (самый большой резерв вращения).

Индекс MWI выражается как LHV_gas/(SG_gas·T_gas)^0.5, где LHV_gas - низшая теплота сгорания газа, SG_gas - удельная масса газа и T_gas - температура топливного газа.

В соответствии с примером осуществления изобретения, изображенным на фиг.8, предлагается способ управления рабочей точкой газовой турбины, которая содержит компрессор, камеру сгорания и по меньшей мере турбину. Способ включает шаг 800 определения давления выхлопного газа турбины на выходе турбины, шаг 802 измерения давления на выходе компрессора, шаг 804 определения коэффициента давления турбины на основе давления выхлопного газа в турбине и давления на выходе компрессора, шаг 806 вычисления температуры выхлопного газа на выходе турбины как функции от коэффициента давления турбины, шаг 808 определения эталонной кривой температуры выхлопного газа в плоскости, заданной температурой выхлопного газа и коэффициентом давления турбины, при этом эталонная кривая температуры выхлопного газа содержит точки, являющиеся оптимальными для работы газовой турбины, и шаг 810 управления газовой турбиной для удержания рабочей точки на эталонной кривой температуры выхлопного газа.

В другом варианте осуществления изобретения для управления турбиной также могут быть выполнены следующие шаги. Газовая турбина может иметь входной направляющий аппарат, расположенный на входе в компрессор и выполненный с возможностью регулирования объема текучей среды, поступающей в компрессор, для удержания рабочей точки на эталонной кривой температуры выхлопного газа. Процессор газовой турбины может быть выполнен с возможностью использования эталонной кривой температуры выхлопного газа для регулирования температуры горения в камере сгорания, при этом температура горения является температурой продуктов горения после сопла первой ступени турбины, или для расчета давления выхлопного газа турбины, возникающего из-за протекания массы в воздуховоде турбины, и расчета восстановления давления из-за образования тяги, возникающей из-за разницы высот между выходом газовой турбины и выходом воздуховода в атмосферу, и суммирования давления выхлопного газа турбины, возникающего из-за протекания массы, и восстановления давления для получения давления выхлопного газа турбины.

Давление выхлопного газа турбины может зависеть от величины ρ_exhaust, которая является плотностью выхлопного газа при фактической температуре выхлопного газа и фактическом давлении окружающей среды, величины ρ_{exhaust ref}, которая является плотностью выхлопного газа при эталонной температуре выхлопного газа и эталонном давлении окружающей среды, величины ρ_air, которая является плотностью окружающего воздуха при фактическом давлении и фактической температуре, величины ρ_{air ref}, которая является плотностью окружающего воздуха при эталоном давлении и эталонной температуре, величины Δh, которая является разницей высот между выходом газовой турбины и выходом из воздуховода в атмосферу, величины v, которая является скоростью на выходе внутри воздуховода, величины ttx_ref, которая является эталонной температурой выхлопного газа, величины ttx_act, которая является фактической температурой выхлопного газа, величины pamb_act, которая является фактическим давлением окружающей среды, величины pinlet_act, которая является фактическим давлением воздуха на входе в компрессор, величины pinlet_ref, которая является эталонным давлением воздуха на входе в компрессор, величины tamb, которая является температурой окружающей среды, величины tinlet_act, которая является фактической температурой воздуха на входе в компрессор, величины tinlet_ref, которая является эталонной температурой воздуха на входе в компрессор, величины tnh_act, которая является фактической скоростью вращения компрессора, величины tnh_ref, которая является эталонной скоростью вращения компрессора, величины igv_act, которая является фактическим углом igv, величины igv_ref, которая является эталонным углом igv, величины Wair_act, которая является фактической массовой скоростью потока воздуха на входе в компрессор, величины Wair_ref, которая является эталонной массовой скоростью потока воздуха на входе в компрессор, величины Wexhaust_act, которая является фактической массовой скоростью потока выхлопного газа, величины Wfuel_act, которая является массовой скоростью потока топлива, величины IBH_fraction, которая является частью воздуха, отбираемого с выхода компрессора, величины fa_{ratio ref}, которая является эталонным массовым отношением топливо-воздух, величины LHV_ref, которая является эталонным значением LHV газового топлива, величины LHV_act, которая является фактическим значением LHV газового топлива, величины sh, которая является удельной влажностью воздуха, при этом ha означает влажный воздух, wv означает водяной пар, da означает сухой воздух, а также от величины SG_XX, которая является удельной массой ha, wv или da, величины ρ_хх, которая является плотностью ha, wv или da, величины m_xx, которая является массой ha, wv или da, и величины V_xx, которая является объемом ha, wv или da.

Процессор может быть выполнен с возможностью деления давления на выходе компрессора на давление выхлопного газа турбины для получения коэффициента давления турбины или идентификации множества рабочих точек для газовой турбины в плоскости, заданной температурой выхлопного газа и коэффициентом давления турбины, или применения билинейных интерполяций к идентифицированному множеству точек и определения первого множества точек для бедного газа и второго множества точек для богатого газа. Кроме того, процессор может быть выполнен с возможностью применения линейной интерполяции для точек из первого множества и второго множества, при этом упомянутые точки имеют один и тот же коэффициент давления турбины, или с возможностью применения политропической коррекции к результату линейной интерполяции для расчета температуры выхлопного газа в контрольной точке.

В соответствии с примером осуществления изобретения машиночитаемый носитель содержит исполняемые компьютером команды, которые при их исполнении реализуют способ управления рабочей точкой газовой турбины, содержащей компрессор, камеру сгорания и по меньшей мере турбину.

В соответствии с примером осуществления изобретения эталонная кривая ttxh температуры выхлопного газа, кривая ttxth пороговой температуры выхлопного газа и другие кривые, отображенные в плоскости (ttx, tpr), могут быть вычислены на основе других характеризующих топливо параметров вместо низшей теплоты сгорания (LHV). Такими параметрами могут быть, например, уровень NOx (оксидов азота), отношение верхнего предела воспламеняемости к нижнему (нижний предел воспламеняемости представляет собой наименьший процент горючего вещества в данном объеме смеси топлива и воздуха (или другого окислителя), которое поддерживает самораспространение огня, а верхний предел воспламеняемости представляет собой наибольший процент горючего вещества в данном объеме смеси топлива и воздуха, которое поддерживает самораспространение огня) и т.д. Другими словами, кривая ttxh была рассчитана в рассматриваемом примере осуществления изобретения как ttxh=ttxha+Δttxh, где ttxha=ttxhr·(LHV-LHVI)/(LHVr-LHVI)+ttxhl·(LHVr-LHV)/(LHVr-LHVI). Однако ttxha зависит от низшей теплоты сгорания LHV топлива, а не от уровня NOx, отношения верхнего предела воспламеняемости к нижнему и т.д.

Таким образом, если газовая турбина питается последовательно первым и вторым видами топлива, имеющими одинаковый индекс MWI, но разные уровни NOx, алгоритм, описанный выше для расчета ttxh, не чувствителен к уровню NOx, так как этот уровень не является частью функции ttxha. Поскольку число MWI зависит от LHV, которая отражается в формуле для ttxha, то ttxha и неявно кривая ttxha зависят от изменения числа MWI топлива. Однако, поскольку первый и второй виды топлива имеют похожие индексы MWI, кривая ttxh и другие кривые на основе LHV-переменной не могут «видеть», что в газовой турбине используются разные виды топлива.

По этой причине, в соответствии с примером осуществления изобретения, ttxh, ttxth и другие кривые могут быть рассчитаны как функции от уровня NOx, отношения верхнего предела воспламеняемости к нижнему или других параметров, характерных для топлива. В одном применении одни и те же математические функции и алгоритм могут использоваться для расчета новых кривых ttxh, ttxth, но с LHV-параметром, замененным на новый параметр. Однако другие функции и/или алгоритмы могут использоваться для расчета ttxh, ttxth и других кривых на основе уровня NOx, отношения верхнего предела воспламеняемости к нижнему и т.д. Другими словами, контроллер 70 может быть выполнен с возможностью вычисления требуемых кривых в множестве плоскостей (ttx, tpr), каждая из которых соответствует данному параметру топлива.

Для иллюстрации, но не для ограничения изобретения, пример типичного контроллера 900, способного выполнять операции в соответствии с примерами осуществления изобретения, приведен на фиг.9. Контроллер 70, описанный выше со ссылкой на фиг.2, может иметь структуру контроллера 900. Однако следует понимать, что принципы настоящего изобретения в равной мере могут быть применимы к процессору, компьютерной системе и т.п.

Пример контроллера 900 может содержать блок 902 обработки/управления, такой как микроконтроллер, компьютер с сокращенным набором команд (reduced instruction set computer) (RISC) или другой центральный модуль обработки. Блок 902 обработки не обязательно является отдельным устройством и может включать один или более процессоров. Например, блок 902 обработки может содержать главный процессор и связанные с ним подчиненные процессоры, соединенные для коммуникации с главным процессором.

Блок 902 обработки может управлять основными функциями системы, как предписано программами, доступными в запоминающем устройстве/памяти 904. Таким образом, блок 902 обработки может выполнять функции, описанные на фиг.8. В частности, запоминающее устройство/память 904 может включать операционную систему и программные модули для выполнения функций и приложений на контроллере. Например, запоминающее устройство программ может включать одно или более из следующего: постоянное запоминающее устройство (read-only memory) (ПЗУ, ROM), флэш-память, программируемое и/или стираемое ПЗУ, оперативное запоминающее устройство (random access memory) (ОЗУ, RAM), интерфейсный модуль абонента (subscriber interface module) (SIM), беспроводной интерфейсный модуль (wireless interface module) (WIM), смарт-карта или другое съемное запоминающее устройство и т.д. Программные модули и связанные с ними особенности также могут передаваться контроллеру 900 с помощью сигналов данных, например, загружаемых в электронном виде через сеть, такую как Интернет.

Одна из программ, которая может храниться в запоминающем устройстве/памяти 904, является конкретным приложением 906. Как описано ранее, конкретное приложение 906 может хранить соответствующие параметры газовой турбины и также может содержать команды для вычисления ttx_{set point} и передачи команд на закрытие или открытие IGV и т.д. Программа 906 и связанные с ней особенности могут быть реализованы в программном обеспечении и/или встроенном программном обеспечении, управляемых процессором 902. Запоминающее устройство/память 904 программ может также использоваться для хранения данных 908, таких как соответствующие параметры газовой турбины или других данных, связанных с примерами осуществления настоящего изобретения. В одном примере программы 906 и данные 908 хранятся в энергонезависимом электрически стираемом программируемом ПЗУ (non-volatile electrically-erasable, programmable ROM) (EEPROM), флэш-памяти и т.д., так что информация не теряется после отключения питания параллельной вычислительной системы 900.

Процессор 902 может также быть соединен с элементами пользовательского интерфейса 910, связанными с диспетчерским пунктом электростанции. Пользовательский интерфейс 910 электростанции может содержать, например, дисплей 912, такой как жидкокристаллический дисплей, клавиатуру 914, динамик 916 и микрофон 918. Эти и другие компоненты пользовательского интерфейса связаны с процессором 902, как известно из области техники. Клавиатура 914 может содержать буквенно-цифровые клавиши для выполнения различных функций, включая набор номеров и выполнение операций, назначенных для одной или более клавиш. В альтернативном варианте могут быть задействованы другие механизмы пользовательского интерфейса, такие как голосовые команды, переключатели, сенсорная панель/экран, графический дисплей пользователя с применением указательного устройства, трекбола (шарового указателя), джойстика и другого механизма пользовательского интерфейса.

Контроллер 900 может также включать цифровой сигнальный процессор (digital signal processor) (DSP) 920. Процессор DSP 920 может выполнять множество функций, включая аналого-цифровое (A/D) преобразование, цифроаналоговое (D/A) преобразование, речевое кодирование/декодирование, шифрование/дешифрование, обнаружение ошибок и коррекция, преобразование битового потока, фильтрация и т.д. Приемопередатчик 922, обычно связанный с антенной 924, может передавать и принимать радиосигналы, связанные с беспроводным устройством.

Контроллер 900 на фиг.9 представлен в качестве примера вычислительной среды, в которой могут быть применены принципы примеров осуществления настоящего изобретения. Из данного описания специалистам понятно, что настоящее изобретение в равной мере применимо в множестве других известных в настоящее время и будущих мобильных и стационарных вычислительных средах. Например, конкретное приложение 906 и связанные с ним особенности и данные 908 могут храниться различным образом, могут выполняться на различных обрабатывающих устройствах, могут функционировать в мобильных устройствах, имеющих большее или меньшее количество схем поддержки и механизмов пользовательского интерфейса или другие схемы поддержки и механизмы пользовательского интерфейса. Следует отметить, что принципы примеров осуществления настоящего изобретения в равной мере применимы не только к мобильным терминалам, но и к вычислительным системам с наземной линией связи.

В соответствии с описанными примерами осуществления изобретения предлагается газовая турбина и способ управления газовой турбиной на основе нового подхода использования, например, зависимости температуры выхлопного газа от коэффициента давления турбины. Следует понимать, что данное описание не предназначено для ограничения изобретения. Напротив, примеры осуществления изобретения охватывают другие варианты, модификации или эквиваленты, которые находятся в пределах сущности изобретения, определяемой формулой изобретения. Кроме того, в подробном описании примеров осуществления изобретения многочисленные конкретные детали представлены для обеспечения полного понимания заявленного изобретения. Однако специалисту понятно, что различные варианты осуществления изобретения могут быть реализованы без указанных конкретных деталей.

Хотя особенности и элементы примеров осуществления настоящего изобретения описаны в конкретных комбинациях, каждая особенность или каждый элемент могут быть использованы отдельно без других особенностей или элементов вариантов осуществления изобретения или в различных комбинациях с описанными особенностями и элементами или без них.

Как понятно специалисту, примеры осуществления изобретения могут быть реализованы в устройстве беспроводной связи, диспетчерском пункте электростанции, в качестве способа или в виде компьютерного программного продукта. Таким образом, примеры осуществления изобретения могут быть выполнены в виде аппаратного обеспечения или объединения аппаратного и программного обеспечения. Кроме того, примеры осуществления изобретения могут быть выполнены в виде компьютерного программного продукта, который хранится на машиночитаемом носителе, содержащем машиночитаемые команды. Может использоваться любой подходящий машиночитаемый носитель, включая жесткие диски, компакт-диски (CD-ROM), цифровой универсальный диск (DVD), оптические запоминающие устройства или магнитные запоминающие устройства, такие как дискета или магнитная лента. Другими не ограничивающими изобретение примерами машиночитаемого носителя являются устройства флэш-памяти или другие известные устройства памяти.

Хотя особенности или элементы настоящих примеров осуществления изобретения описаны в конкретных комбинациях, каждая особенность или каждый элемент могут использоваться отдельно без других особенностей или элементов вариантов осуществления изобретения или в различных комбинациях с другими особенностями или элементами, описанными в настоящей заявке, или без них. Способы или блок-схемы, представленные в настоящей заявке, могут быть реализованы в компьютерной программе, программном обеспечении или аппаратном обеспечении, реализованных на машиночитаемом носителе для исполнения специально запрограммированными компьютером или процессором.

В настоящем описании приводятся варианты осуществления изобретения, включая предпочтительный вариант, для раскрытия изобретения и для обеспечения возможности специалисту реализовать изобретение на практике, включая изготовление и использование любых устройств или систем и выполнение любых соответствующих способов. Объем правовой охраны изобретения определяется формулой изобретения и охватывает другие примеры, понятные специалистам. Такие другие примеры охватываются формулой изобретения, если они содержат структурные элементы, которые не отличаются от указанных в пунктах формулы, или если они содержат эквивалентные структурные элементы.

Реферат

Изобретение относится к энергетике. Способ управления рабочей точкой газовой турбины, содержащей компрессор, камеру сгорания и турбину. Способ включает определение давления выхлопного газа на выходе турбины, измерение давления на выходе компрессора, определение коэффициента давления турбины на основе давления выхлопного газа турбины и давления на выходе компрессора; вычисление температуры выхлопного газа на выходе турбины как функции от коэффициента давления турбины, определение эталонной кривой температуры выхлопного газа в плоскости, заданной температурой выхлопного газа и коэффициентом давления турбины, и управление газовой турбиной для удержания рабочей точки на эталонной кривой температуры выхлопного газа. Также представлена газовая турбина, имеющая управляющее устройство для управления рабочей точкой газовой турбины согласно способу. Изобретение позволяет обеспечить более точное управление газовой турбиной. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.

Формула