СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ ТОПЛИВА ДЛЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ
METHOD AND DEVICE FOR CONTROL OF FUEL SUPPLY FOR GAS TURBINE

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины, при этом, в частности, изменение в типе или виде или составе топлива учитывается при поддержании стабильной работы газовой турбины.
Предшествующий уровень техники
US 2009/0071118 A1 раскрывает способ и систему для модулирования модифицированного индекса Воббе (MWI) топлива, которое подается в газовую турбину, причем теплообменник используется для подогрева топлива, и MWI поступающего топлива контролируется, при этом MWI учитывает температуру топлива.
US 2010/0275609 A1 раскрывает гибридное управление Воббе при запуске с быстрой реакцией, в котором определяется температура топлива для воспламенения в камере сгорания газовой турбины и вводится добавка в камеру сгорания газовой турбины, когда температура топлива меньше, чем целевая температура.
US 6490867 В2 раскрывает способ работы горелки и конфигурацию горелки, при этом определяется теплота сгорания топлива, и степень открытия элемента управления вычисляется и непосредственно устанавливается с использованием выхода и калорийности, полученной при управлении переменным выходом, которое является операционно надежным по отношению к возмущениям. При этом калорийность (теплотворная способность) топлива определяется из массового расхода и теплотворной способности воды и массового расхода и теплотворной способности печного топлива.
US 7854110 В2 раскрывает интегрированную систему характеризации топливного газа для определения количества энергии, предоставляемой топливом, перед сгоранием топлива на стадии сгорания, причем интегрированная система характеризации топливного газа может включать в себя измеритель Воббе для измерения индекса Воббе топливного газа, прежде чем топливный газ сжигается в газовой турбине, и причем система управления может быть предназначена для корректировки одного или более рабочих параметров газотурбинного двигателя на основе скорости изменения индекса Воббе.
US 7950216 В2 раскрывает систему управления топливом газотурбинного двигателя, в которой контроллер вычисляет желательный расход на основе по меньшей мере энергетической ценности сгорания топлива, которая была определена оценщиком энергетической ценности сгорания, причем оценщик энергетической ценности определяет энергетическую ценность топливной смеси либо непосредственно посредством измерения, либо путем обращения к таблицам на основе коэффициентов смешения. При этом LHV топлива может быть определена с использованием измеренных температур и массовых расходов воздуха двигателя.
US 7565805 В2 раскрывает способ для управления системой газотурбинного двигателя, в котором процессор запрограммирован, чтобы принимать сигнал, указывающий на теплотворную способность топлива, и автоматически управляет разделением топлива между точками инжекции топлива на камере сгорания с использованием определенной теплотворной способности, причем топливные форсунки предназначены для работы в ограниченном диапазоне отношений давлений, и изменения в теплотворной способности и температуре топливного газа учитываются путем увеличения или уменьшения области прохода газа топливной форсунки. Модифицированный индекс Воббе (MWI) представляет собой меру энергии, вводимой в камеру сгорания для данного давления выше по потоку и ниже по потоку на данном отверстии прохода газа топливной форсунки, и вычисляется с использованием низшей теплотворности топлива, удельного веса по отношению к воздуху и температуры топлива. Кроме того, раскрыто автоматическое модулирование разделений топливного газа в камере сгорания с использованием измеренного или вычисленного MWI топливного газа.
ЕР 2450551 А2 раскрывает системы и способы для компенсации вариаций состава топлива в газовой турбине, при этом способ включает в себя мониторинг по меньшей мере одного параметра топлива, ассоциированного с камерой сгорания турбины; мониторинг одной или более динамических характеристик сгорания, ассоциированных с камерой сгорания турбины; мониторинг одной или более характеристик производительности и выбросов, ассоциированных с турбиной; оценивание состава топлива на основе, по меньшей мере частично, по меньшей мере одного параметра топлива, одной или более динамических характеристик сгорания топлива и одной или более характеристик производительности и выбросов, и корректировку по меньшей мере одного параметра топлива на основе, по меньшей мере частично, оцененного состава топлива.
Калориметры могут быть использованы для мониторинга свойств топлива, где состав газового топлива изменяется, но медленные темпы обновления могут сделать затруднительным создание эффективных контуров управления, которые поддерживают стабильную работу двигателя. Ограничение допустимой скорости изменения свойств топлива может помочь решить эту проблему, но это может быть часто неприемлемым ограничением для конкретного рабочего условия или пользовательского применения. Кроме того, определение свойства топлива исключительно на основе оценки с использованием модели двигателя может быть недостаточно точным.
Было замечено, что обычные способы для управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины могут не при всех обстоятельствах или условиях эксплуатации решать проблему поддержания желательной работы газовой турбины или стабильной работы газовой турбины, когда вид, тип или состав подаваемого топлива изменяется. Кроме того, было обнаружено, что калориметрические измерения свойств топлива могут быть слишком медленными в ситуациях быстро изменяющегося состава газа. Кроме того, было обнаружено, что обычные методы оценки свойств топлива из параметров двигателя являются быстродействующими, но могут быть склонны к неточности и проблемам дрейфа.
Таким образом, может иметься потребность в создании способа и устройства для управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины, которые позволяют справиться с ситуациями, в которых топливо изменяется, чтобы обеспечить стабильную работу газовой турбины.
Сущность изобретения
Эта потребность может быть удовлетворена объектом в соответствии с независимыми пунктами формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения предложен способ управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины, содержащей компрессор выше по потоку относительно камеры сгорания, при этом способ содержит: подачу топлива в камеру сгорания; получение значения свойства для по меньшей мере одного физического свойства воздуха, используемого для сжигания топлива в камере сгорания; оценивание подвода тепла (тепловыделения) (например, HIengmodel) топлива (например, флюида, в частности, газа и/или жидкости), подаваемого в камеру сгорания, на основе значения свойства; измерения калорийности топлива выше по потоку относительно камеры сгорания; корректировку оцененного тепловыделения на основании измеренной калорийности, чтобы получить скорректированное оцененное тепловыделение (HIestimated); и управление топливным клапаном, регулирующим подачу топлива в камеру сгорания на основе скорректированного оцененного тепловыделения (HIexpected) и требуемого тепловыделения (FFDEM), причем интервал обновления оценивания тепловыделения короче, чем интервал обновления измерения калорийности.
Кроме того, скорректированное оцененное тепловыделение может сравниваться с требуемым тепловыделением (как обеспечивается регулятором газовой турбины), чтобы получить значение ошибки тепловыделения, причем значение ошибки тепловыделения может быть использовано, чтобы оценивать индекс Воббе топлива, который затем подается на топливный клапан, который может изменить свою установку расхода топлива для изменения расхода топлива, например, массового расхода или объемного расхода. Кроме того, требуемое тепловыделение может корректироваться для поддержания стабильной работы газовой турбины.
Кроме того, способ может содержать периодическое измерение низшей калорийности (LCV), удельного веса (SG) и, следовательно, индекса Воббе (WI) топлива выше по потоку относительно камеры сгорания; сравнение оцененного индекса Воббе с измеренным индексом Воббе, чтобы создать другую составляющую ошибки; и корректировку оцененного потока при тепловыделении на основе этой другой составляющей ошибки.
Подвод тепла к двигателю может быть измерен в кВт и может представлять количество энергии (химической или энергии сгорания), содержащейся в смеси топлива и сжатого воздуха, в единицу времени. Подвод тепла (тепловыделение) может быть, например, определен посредством LCV, умноженной на массовый расход или объемный расход.
Нижняя калорийность LCV топлива является ‘удельной’ величиной (на единицу массы или единицу объема топлива) в кДж/кг или кДж/м^3. В контексте данного документа и способа LCV может быть объемной, поэтому выражается в единицах кДж/ (нормальный_м^3) (нормальный м^3 является объемом газа при 0 градусов Цельсия при давлении ISO (Международной организации по стандартизации)), и индекс Воббе может быть определен как объемная LCV/корень(SG).
В частности, одно, два, три, пять или даже более значений свойств из соответствующего количества физических свойств воздуха могут быть получены в ходе способа и могут быть использованы для оценки тепловыделения. Значения свойств могут представлять измеренные значения или рассчитанные или вычисленные, или выведенные значения, которые могут быть основаны на других полученных или измеренных величинах или значениях.
В частности, во время осуществления способа, вид, тип или состав топлива могут быть неизвестными и могут изменяться неизвестным образом. Оценивание калорийности топлива может использовать модель двигателя, в частности, содержащую термодинамическую модель. Калорийность может, в частности, содержать низшую калорийность.
Корректировка оцененного тепловыделения на основе измеренной калорийности может представлять собой калибровку оцененного тепловыделения, чтобы корректировать абсолютное значение оцененного тепловыделения.
Таким образом, использование характеристик двигателя, чтобы оценивать теплотворную способность топлива (или тепловыделение топлива), может быть объединено с (периодической) перекрестной ссылкой на результат измерения калориметра топлива, чтобы поддерживать точность или калибровать оцененное тепловыделение. Таким образом, скорректированное оцененное тепловыделение может с большей точностью соответствовать или равняться фактическому тепловыделению в зависимости от калорийности топлива. Таким образом, это преимущество может быть обеспечено комбинацией чисто оцененного тепловыделения и измеренной калорийности, при этом измерения калорийности могут выполняться гораздо более медленными темпами, чем оценивание тепловыделения. Таким образом, способ управления может позволять более быстрое управление, чем при использовании исключительно калориметра для определения измеренной калорийности, и может в то же время быть более точным, чем при использовании исключительно оцененного тепловыделения.
Хотя интервал обновления измерения калорийности может быть относительно длинным, тем не менее, скорректированное оцененное тепловыделение может точным способом отражать фактическую калорийность или фактическое тепловыделение, так как оцененное тепловыделение может калиброваться, время от времени, в частности, в течение стабильной работы, при этом ни оцененное тепловыделение, ни измеренная калорийность не изменяются больше, чем на предопределенные пороговые значения, такие как 10% или 5%, соответствующих средних значений.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, способ дополнительно содержит сравнение (например, содержит арифметическое/логическое вычисление) скорректированного оцененного тепловыделения с требуемым тепловыделением (FFDEM), чтобы вывести сигнал ошибки, и управление топливным клапаном, регулирующим подачу топлива в камеру сгорания на основе сигнала ошибки.
Может быть предусмотрен контроллер, который принимает сигнал ошибки и который выдает управляющий сигнал, направленный на уменьшение сигнала ошибки. В частности, контроллер может выводить оцененный индекс Воббе, который может подаваться на топливный клапан, который, в свою очередь, может корректировать свою настройку потока для изменения расхода топлива, с тем чтобы уменьшить сигнал ошибки. Таким образом, стабильная работа газовой турбины может быть гарантирована, даже если тип, вид или состав топлива изменяется во время работы.
Контроллер может состоять из интегратора с соответствующим усилением, чтобы обеспечить возможность преобразования ошибки в тепловыделении в ошибку в индексе Воббе с целью корректировки значения оцененного индекса Воббе, чтобы уменьшить сигнал ошибки.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, корректировка оцененного тепловыделения содержит вычисление подстроечного коэффициента из разности оцененного индекса Воббе и измеренного индекса Воббе, причем оцененный индекс Воббе получают путем интегрирования сигнала ошибки, причем измеренный индекс Воббе вычисляется из измеренной калорийности (например, измеренной калориметром) и удельного веса топлива, причем скорректированное оцененное тепловыделение получают путем деления оцененного тепловыделения на подстроечный коэффициент. Из оцененного тепловыделения может быть получен оцененный индекс Воббе.
Подстроечный коэффициент может также рассматриваться или упоминаться как калибровочный коэффициент, чтобы калибровать оцененное тепловыделение или индекс Воббе к фактическому тепловыделению или индексу Воббе. Подстроечный коэффициент может быть сохранен в электронном хранении и может обновляться только тогда, когда калорийность или индекс Воббе измеряется, что может быть менее частым, чем оценивание тепловыделения или индекса Воббе. Подстроечный коэффициент может быть получен так, что, путем деления оцененного тепловыделения на подстроечный коэффициент, скорректированное оцененное тепловыделение приводит в результате к оцененному индексу Воббе, который может более точно соответствовать измеренному индексу Воббе.
Вычисление подстроечного коэффициента и применение подстроечного коэффициента к оцененному тепловыделению или индексу Воббе могут упростить способ.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, интервал обновления оценивания тепловыделения от 5 до 100 раз короче интервала обновления измерения калорийности.
Интервал обновления оценивания калорийности может быть, например, от 5 с до 1 мин. Интервал обновления измерения калорийности может быть, например, между 3 мин и 30 мин.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, выполняется корректировка оцененного тепловыделения, если удовлетворяется следующий критерий: оцененное тепловыделение является стабильным в пределах +/-5%, в частности +/-2%, в течение по меньшей мере одного интервала обновления измерения калорийности, и измеренная калорийность находится в предопределенном предельном диапазоне.
Предопределенный предельный диапазон измеренной калорийности может быть определен из ожидаемых составов топлива или ожидаемых видов или типов топлива. Таким образом, выбросы измерений калорийности не могут искажать способ управления, так как в этом случае калибровка оцененного тепловыделения или корректировка оцененного тепловыделения может быть пропущена, например, и возобновлена, например, в следующем интервале обновления.
Требование, что также оцененное тепловыделение является стабильным в заданных пределах, может также указывать, что вид, тип или состав топлива изменился с момента последней выборки, взятой калориметром, и может, таким образом, улучшить точность способа за счет невыполнения корректировки во время таких изменений.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, критерий дополнительно содержит: измеренная калорийность является стабильной в пределах +/-5%, в частности, +/-2% по сравнению с измеренной калорийностью предыдущего интервала обновления.
Интервал обновления для измерения калорийности может составлять, например, величину около 3 мин или между 2 мин и 30 мин. Когда измеряемая калорийность не является стабильной в пределах, например, +/-5%, это может указывать на то, что вид, тип или состав топлива изменяется. В этой ситуации калибровка оцененного тепловыделения, следовательно, невозможна. За счет исключения этой ненадлежащей калибровки, способ управления может быть дополнительно улучшен.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере одно физическое свойство воздуха содержит входное давление (PT7) воздуха на входе компрессора, входную температуру (Tinlet) воздуха на входе компрессора и выходное давление (РТ8) воздуха на выходе компрессора.
Кроме того, по меньшей мере одно физическое свойство воздуха может дополнительно содержать установку выпускного клапана, указывающую количество воздуха, не поступающего в камеру сгорания. Возникновение отводимого воздуха выше по потоку относительно камеры сгорания также может повлиять на оценивание тепловыделения топлива. Таким образом, учет количества воздуха, отводимого выше по потоку относительно камеры сгорания, может улучшить способ управления.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, оценивание тепловыделения содержит формирование отношения (PRC87) давлений между выходным давлением (PT8) воздуха и входным давлением (PT7) воздуха и оценивание тепловыделения на основе отношения давлений.
Отношение давлений может быть подходящей величиной, чтобы оценивать тепловыделение. Таким образом, способ может быть упрощен.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, оценка тепловыделения на основе отношения давлений содержит использование по меньшей мере одного подбора (аппроксимации) кривой на основе множества измерений, выполненных на по меньшей мере одной газовой турбине, причем аппроксимация кривой связывает измеренное отношение давлений с измеренным тепловыделением, где аппроксимация кривой, в частности, описывается полиномом второго порядка, имеющим положительный первый коэффициент (коэффициент полинома, умноженный на отношение давлений) и положительный второй коэффициент (коэффициент полинома, умноженный на квадрат перепада давлений), причем представление аппроксимации кривой, в частности, хранится в электронном хранилище.
В частности, множество точек измерения может быть получено из измерений, выполняемых на по меньшей мере одной газовой турбине, и точки измерения могут быть изображены на графике, имеющем абсциссу, обозначающую отношение давлений, и имеющем ординату, обозначающую тепловыделение или расход топлива при тепловыделении в единицах мегаватт (МВт) или киловатт (кВт). По меньшей мере один подбор кривой может быть получен путем аппроксимации наименьших квадратов точек измерения полиномом, в частности, полиномом второго порядка, который описывает расход топлива при тепловыделении в виде суммы свободного члена, первого коэффициента, умноженного на отношение давлений, и второго коэффициента, умноженного на квадрат отношения давлений.
Использование экспериментальных измерений может позволить получить очень точное соотношение между отношением давлений и тепловыделением из потока топлива. Таким образом, способ может быть улучшен в отношении точности оцениваемого тепловыделения.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере одна аппроксимация кривой содержит: первую аппроксимацию кривой, получаемую на основе данных измерения, где никакой воздух не отбирается выше по потоку относительно камеры сгорания, вторую аппроксимацию кривой, получаемую на основе данных измерений, где часть, в частности, от 5% до 20% воздуха, была отобрана выше по потоку от камеры сгорания, причем на основе первой аппроксимации кривой получают первое тепловыделение, и причем на основе второй аппроксимации кривой получают второе тепловыделение, при этом на основе первого тепловыделения и второго тепловыделения получают оцененное тепловыделение.
Рассмотрение двух случаев, когда никакой воздух не отбирался выше по потоку относительно камеры сгорания и когда часть воздуха отбиралась выше по потоку относительно камеры сгорания, может привести к улучшению точности оценки тепловыделения. В частности, первое тепловыделение и второе тепловыделение соответствуют условию, когда никакой воздух не отбирался выше по потоку относительно камеры сгорания и когда часть воздуха отбиралась выше по потоку относительно камеры сгорания, соответственно.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, способ дополнительно содержит: получение скорректированного тепловыделения с использованием первой функции, содержащей первое тепловыделение и второе тепловыделение, если отношение давлений превышает пороговое значение, причем пороговое значение находится, в частности, между 4 и 8; получение скорректированного тепловыделения с использованием второй функции, содержащей по меньшей мере первое тепловыделение, если отношение давлений не превышает пороговое значение, причем оценивание тепловыделения дополнительно основано на скорректированном тепловыделении.
Первая функция может быть математической функцией для получения скорректированного тепловыделения в зависимости от первого тепловыделения и второго тепловыделения только в том случае, когда отношение давлений выполняет критерий превышения порогового значения. Кроме того, скорректированное тепловыделение может быть получено как вторая математическая функция в зависимости от только или по меньшей мере первого тепловыделения, когда отношение давлений не удовлетворяет критерию, таким образом, не превышает пороговое значение.
Таким образом, влияние отбора воздуха перед камерой сгорания может быть учтено более точно. В частности, если отношение давлений превышает пороговое значение, влияние отобранного воздуха может быть выше, чем когда отношение давлений не превышает пороговое значение.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, способ дополнительно содержит оценку части воздуха, отбираемого выше по потоку относительно камеры сгорания, на основании установки выпускного клапана, в частности, с использованием характеристики выпускного клапана, причем первая функция содержит оцененную часть отобранного воздуха.
Выпускной клапан может содержать один или более клапанов, расположенных в разных местах выше по потоку относительно камеры сгорания, или в пределах компрессорной секции газовой турбины. Характеристики выпускного клапана могут быть представлены в виде таблицы, графика, справочной таблицы или тому подобного и могут храниться в электронном хранилище. Характеристика выпускного клапана может указывать, что поток в процентах воздуха равен нулю в первом диапазоне углов клапана, и она может указывать, что поток в процентах воздуха увеличивается линейно во втором диапазоне углов клапана, смежном с первым диапазоном углов клапана. При использовании установки выпускного клапана, определение количества воздуха, выпускаемого выше по потоку относительно камеры сгорания, может быть улучшено в отношении точности.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, способ содержит вычисление оцененного тепловыделения из скорректированного тепловыделения, входного давления (PT7) воздуха и входной температуры (Tinlet) воздуха.
Оцененное тепловыделение может быть получено с использованием математической формулы, в которой, в частности, скорректированное тепловыделение умножается на входное давление воздуха и умножается на квадратный корень из члена, содержащего входную температуру воздуха. Таким образом, оцененное тепловыделение может быть вычислено точным способом из доступных входных величин.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, способ дополнительно содержит: установку клапана на расход топлива таким образом, что сигнал ошибки (определен выше) равен нулю, причем способ содержит затем подачу другого топлива в камеру сгорания, причем другое топливо отличается от упомянутого топлива; получение другого значения свойства для по меньшей мере одного физического свойства воздуха, используемого для сжигания другого топлива в камере сгорания; оценивание другого тепловыделения (HIengmodel) другого топлива, подаваемого в камеру сгорания, на основе другого значения свойства; измерения другой калорийности другого топлива выше по потоку относительно камеры сгорания; корректировку другого оцененного тепловыделения на основе другой измеренной калорийности; и управление клапаном, регулирующим подачу другого топлива в камеру сгорания, на основе другого скорректированного оцененного тепловыделения (HIexpected) и требуемого тепловыделения (FFDEM), так что клапан устанавливается на другой расход другого топлива, отличающийся от расхода ранее применявшегося топлива.
Таким образом, изменение типа, вида или состава топлива может быть учтено при сохранении стабильной работы газовой турбины в соответствии с требуемым тепловыделением, таким как, например, обеспечиваемое регулятором турбины.
Следует понимать, что признаки, которые по отдельности или в любой комбинации раскрыты, описаны или упомянуты в отношении любого способа управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины, могут также быть применены по отдельности или в любой комбинации к устройству для управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, и наоборот.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения предложено устройство для управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины, содержащей компрессор выше по потоку относительно камеры сгорания, причем устройство содержит: топливный клапан, выполненный с возможностью подачи топлива в камеру сгорания, процессор, выполненный с возможностью получения значения свойства для по меньшей мере одного физического свойства воздуха, используемого для сжигания топлива в камере сгорания; оценивания тепловыделения (HIengmodel) топлива, подаваемого в камеру сгорания, на основе значения свойства; получения измеренной калорийности или индекса Воббе топлива выше по потоку относительно камеры сгорания; корректировки оцененного тепловыделения на основе измеренной калорийности или индекса Воббе; и управления топливным клапаном, регулирующим подачу топлива в камеру сгорания, на основе скорректированного оцененного тепловыделения (HIexpected) и требуемого тепловыделения (FFDEM), причем интервал обновления оценивания тепловыделения короче, чем интервал обновления измерения калорийности.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения, предложена газовая турбина, содержащая устройство для управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины, как пояснено или описано в соответствии с вариантом осуществления выше.
Вычисление калориметра двигателя может выполняться, только если удовлетворен следующий критерий "устойчивого состояния":
записать максимальное и минимальное значения параметра регулирования температуры, например, Tfire (выходная температура камеры сгорания, эквивалентная входной температуре сжигаемого топлива к турбинной секции газовой турбины) в течение повторяющихся 5 минут до текущего времени.
Устойчивое, если Tfiremax - Tfiremin < Tss
где Tss - параметр, первоначально установленный на 20°C.
Использование характеристик двигателя для оценки теплотворной способности топлива может быть объединено с периодической перекрестной ссылкой на калориметр для топлива в целях поддержания точности в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Подстроечный коэффициент может быть вычислен из разницы между методом характеристик двигателя и измеренной теплотворной способностью, и это может быть применено к вычисленному тепловыделению из модели двигателя, из которой может быть оценена теплотворная способность топлива (или калорийность). Эта перекрестная ссылка может выполняться только в периоды, когда оцененная теплотворная способность устойчива, таким образом, гарантируя, что временная задержка калориметра не влияет на результаты, и подстроечный коэффициент может быть применен на умеренном периоде времени, чтобы обеспечить плавное выравнивание и устойчивость работы двигателя. Использование этого метода может поддерживать точность системы без опасности деградации двигателя.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 схематично иллюстрирует устройство для управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, которое приспособлено для выполнения способа управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2 схематично иллюстрирует модель двигателя, которая используется в устройстве, показанном на фиг. 1, и которая используется в способе управления подачей топлива в камеру сгорания согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 3 схематично иллюстрирует график для определения значения потока тепловыделения в газотурбинный двигатель в зависимости от отношения давлений воздуха, который может быть использован в способе и/или в устройстве для управления подачей топлива в камеру сгорания в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 4 иллюстрирует график характеристик выпускного клапана для стравливания воздуха выше по потоку относительно камеры сгорания, зависимость которого используется в устройстве и/или в способе управления подачей топлива в камеру сгорания в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 5 схематично иллюстрирует схему вычисления индекса Воббе калориметра, которая может быть использована в устройстве и/или в способе управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины согласно варианту осуществления настоящего изобретения; и
Фиг. 6 схематично иллюстрирует вычисление подстроечного коэффициента калориметра, которое может быть использовано в способе и/или в устройстве для управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание вариантов осуществления
Фиг. 1 схематично иллюстрирует устройство 100 для управления подачей топлива в камеру 101 сгорания газовой турбины согласно варианту осуществления настоящего изобретения, которое приспособлено для выполнения способа управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Устройство 100 содержит топливный клапан 103, приспособленный для подачи топлива 105 в камеру 101 сгорания (газовой турбины), причем топливо 105 подается через топливопровод. Кроме того, устройство 100 содержит процессор 107, который приспособлен для получения входного давления PT7 воздуха, которое относится к давлению воздуха на входе компрессора, получения входной температуры Tinlet воздуха, которая относится к температуре воздуха на входе компрессора, и получения выходного давления PT8 воздуха, которое относится к давлению воздуха на выходе компрессора. Таким образом, значения входного давления PT7 воздуха, входной температуры Tinlet воздуха и выходного давления PT8 воздуха также могут упоминаться как значения 109 свойств для по меньшей мере одного физического свойства воздуха, используемого для сжигания топлива в камере сгорания.
Процессор 107 дополнительно выполнен с возможностью получения сигнала THBOV отбора воздуха, в частности, установки выпускного клапана или, в частности, угла выпускного клапана, который указывает на количество воздуха, не поданное в камеру 101 сгорания, содержащуюся в газовой турбине. В других вариантах осуществления отборы воздуха не используются, и весь воздух подается в камеру сгорания. Значение 109 свойства по меньшей мере одного физического свойства воздуха, используемого для сжигания топлива в камере сгорания, включает в себя вышеуказанные значения физических величин. Значения 109 свойств подаются на модель 111 двигателя, которая приспособлена для оценки тепловыделения HIengmodel топлива 105, подаваемого в камеру 101 сгорания, на основе значений 109 свойств по меньшей мере одного физического свойства воздуха.
Оцененное тепловыделение HIengmodel подается на арифметический элемент 113, который предусмотрен для применения подстроечного коэффициента HIcaltrim к оцененному тепловыделению HIengmodel в соответствии с конкретным вариантом осуществления настоящего изобретения, в котором определяется измерение калориметра для определения измеренной калорийности (теплотворности) или индекса Воббе.
В соответствии с альтернативным вариантом осуществления, измерение калориметра не используется, и в этом случае подстроечный коэффициент HIcaltrim установлен на единицу, так что скорректированное оцененное тепловыделение HIexpected равно оцененному тепловыделению HIengmodel согласно этому варианту осуществления.
Скорректированное оцененное тепловыделение HIexpected подается на арифметический суммирующий элемент 115, который вычитает из скорректированного оцененного тепловыделения HIexpected требуемое тепловыделение FFDEM, которое требуется регулятором 117 двигателя, который также подает соответствующий управляющий сигнал 119 к топливному клапану 103. В частности, управляющий сигнал 119 может представлять требуемое тепловыделение FFDEM, сгенерированное с использованием регулятора 117 двигателя.
Суммирующий арифметический элемент 115 выводит сигнал 121 ошибки, который, таким образом, получен из оцененного тепловыделения HIengmodel или скорректированного оцененного тепловыделения HIexpected и требуемого тепловыделения FFDEM. Сигнал 121 ошибки подается на интегрирующий элемент 123, который в общем случае может быть осуществлен как PI-регулятор. Интегрирующий элемент 123 интегрирует сигнал 121 ошибки по времени и выводит массовое удельное тепловыделение (в частности, индекс Воббе) WIengcal, представляющее оцененный индекс Воббе топлива, причем оценивание использует модель 101 двигателя, которая будет описана более подробно ниже. По управляющей линии 125, полученное массовое удельное тепловыделение WIengcal подается на топливный клапан 103, на основании чего топливный клапан 103 регулирует расход топлива 105, чтобы минимизировать или исключить сигнал 121 ошибки.
В соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения, в дополнение к оценке индекса Воббе WIengcal с использованием модели 101 двигателя, измеренная калорийность (тепловыделение) LCVmea используется для вычисления измеренного индекса Воббе WIcalorimeter, который подается по управляющей линии 127 и при обстоятельствах подается на топливный клапан 103, чтобы подстроить оцененный индекс Воббе WIengcal. Вычисление измеренного индекса Воббе WIcalorimeter будет описано ниже со ссылкой на фиг. 5.
Кроме того, измеренный индекс Воббе WIcalorimeter используется для того, чтобы получить подстроечный коэффициент HIcaltrim, который подается на арифметический элемент 113, чтобы корректировать оцененное тепловыделение HIengmodel, чтобы получить скорректированное оцененное тепловыделение HIexpected, как будет описано ниже со ссылкой на фиг. 6.
Фиг. 2 схематично иллюстрирует модель 211 двигателя, в соответствии с которой модель 111 двигателя, показанная на фиг. 1, может быть реализована в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Выходное давление PT8 воздуха, представляющее давление воздуха на выходе компрессора, принимается арифметическим элементом 229 умножения/деления. Кроме того, арифметический элемент 229 умножения/деления получает в качестве делителя входное давление PT7 воздуха, представляющее давление на входе компрессора. Элемент 229 умножения/деления выводит отношение PRC87 (PT8/PT7) давлений, которое подается на вход элемента 231 вычисления тепловыделения, который также может упоминаться как элемент HI-вычисления. В элементе 231 HI-вычисления вычисляется первое тепловыделение HInoBLEED и дополнительно вычисляется второе тепловыделение HI10%BLEED. Таким образом, первое тепловыделение и второе тепловыделение вычисляются в соответствии с формулами:
Вычисление тепловыделения:
вычислить ISO-скорректированное тепловыделение как функцию отношения давлений, PRC87, для нулевого и 10%-ого выпуска:
HInoBLEED = а2 * PRC87^2 + a1 * PRC87 + a0
HI10%BLEED = b2 * PRC87^2 + b1 * PRC87 + b0
Уравнения здесь являются специфическими для конкретной газовой турбины. Другие системы могут использовать различные коэффициенты и/или различные доли выпуска, которые могут быть определены с помощью известных способов.
Эти конкретные формулы выведены на основе множества измерений, выполненных на по меньшей мере одной газовой турбине, что будет описано более подробно со ссылкой на фиг. 3 ниже. Первое тепловыделение HInoBLEED и второе тепловыделение HI10%BLEED подаются на блок 233 вычисления эффекта выпуска, который также принимает сигнал THBOV отбора воздуха, который указывает количество воздуха, не поступающего в камеру сгорания. Отбор воздуха может быть выполнен из питающей магистрали в камеру сгорания, непосредственно выше по потоку относительно камеры сгорания, и из той же камеры давления, из которой было получено или измерено выходное давление воздуха.
Блок 233 вычисления эффекта выпуска учитывает, если часть сжатого воздуха фактически не подается в камеру сгорания. Таким образом, процент выпуска вычисляется в соответствии со следующими формулами:
вычислить %-ый выпуск (массовый расход воздуха на входе двигателя), Bleed%, из THBOV, на основе упрощенных характеристик клапана:
если THBOV <= 10, Bleed% = 0
если THBOV > 10, Bleed% = (THBOV - 10)/0,7
Эти уравнения могут быть специфическими для газовой турбины в этом примере. Другие двигатели могут использовать различные коэффициенты или формы.
Кроме того, блок 233 вычисления эффекта выпуска вычисляет, после оценки процента отобранного воздуха, скорректированное тепловыделение HIiso из первого тепловыделения и второго тепловыделения с использованием первой функции или второй функции в зависимости от того, является ли отношение PRC87 давлений большим, чем пороговое значение, или нет. Пороговое значение может быть выбрано в зависимости от применения и газовой турбины и может быть равно, например, 6. Таким образом, вычисление производится по следующим формулам:
вычислить ISO-скорректированное тепловыделение путем линейной интерполяции
если PRC87 > 6, HIiso = HIISOnoBleed + Bleed%/10*
(HIISO10%bleed - HIISOnoBleed)
если PRC87 <= 6, HIiso = HIISOnoBleed
Уравнения здесь могут быть специфическими для газовой турбины в данном примере. Другие двигатели могут использовать различные уравнения или различные коэффициенты.
Блок 233 вычисления эффекта выпуска, таким образом, выводит скорректированное тепловыделение HIiso и подает его на элемент 235 внешней коррекции, который дополнительно принимает входную температуру Tinlet воздуха и, кроме того, входное давление PT7 воздуха, которое уже подавалось в арифметический элемент 229. При этом оцененное тепловыделение HIengmodel вычисляется блоком 235 внешней коррекции в соответствии со следующей формулой:
вычислить текущее тепловыделение из ISO-скорректированного тепла с использованием входного давления PT7 [бар] воздуха двигателя и температуры Tinlet [градусов Цельсия]
HIEngModel = HIISO * PT7/1,01325*
sqrt ((Tinlet + 273,15)/288,15)
Оцененное тепловыделение HIengmodel, полученное с использованием модели 201 двигателя, показанной на фиг. 2, может, например, использоваться в устройстве 100 в качестве оцененного тепловыделения HIengmodel.
Фиг. 3 иллюстрирует график для получения двух математических выражений для вычисления первого тепловыделения и второго тепловыделения из отношения PRC87 давлений, которое может быть использовано в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
На оси абсцисс 301 указано отношение PRC87 давлений, т.е. PT8/PT7, в то время как на оси ординат 303 указан расход топлива при тепловыделении в единицах Мегаватт (мВт), представляющий тепловыделение топлива. Маленькие ромбики 305 представляют точки измерений отношения давлений в зависимости от потока топлива при тепловыделении, выполненных в газовых турбинах того типа, которые должны управляться данным способом управления, причем воздух не отбирается выше по потоку относительно камеры сгорания. С применением аппроксимации наименьшими квадратами, полином второго порядка, который обозначен ссылочной позицией 307, аппроксимировал данные 305 измерений. Полином второго порядка в отношении PRC87 давлений был использован для вычисления первого тепловыделения в зависимости от отношения PRC87 давлений.
Маленькие квадратики 309 представляют точки измерений, выполненных на газовых турбинах, указывающие отношение PRC87 давлений в зависимости от потока топлива при тепловыделении, при этом 10% воздуха отводилось выше по потоку относительно камеры сгорания. Полином второго порядка 311 аппроксимировал с использованием способа наименьших квадратов данные 309 измерений и использовался для получения второго тепловыделения в элементе 231 HI-вычисления, показанном на фиг. 2.
Фиг. 4 иллюстрирует примерный график характеристик 405 выпускного клапана, специфических для конкретного клапана, который используется в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, чтобы оценивать процент отбираемого воздуха выше по потоку относительно камеры сгорания. На оси абсцисс 401 указан угол воздушного клапана, в то время как на оси ординат 403 указан поток в процентах. Кривая 405 показывает зависимость потока в процентах от угла воздушного клапана. Как можно видеть из фиг. 4, поток в процентах равен 0 для угла воздушного клапана между 0 и 10, и поток в процентах увеличивается линейно в диапазоне угла воздушного клапана между 10 и 17 от потока в процентах, равного от 0 до 10. Таким образом, с использованием угла воздушного клапана, процент отбираемого воздуха может быть оценен в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, как используется в блоке 233 вычисления эффекта выпуска на фиг. 2. Другие клапаны могут иметь различные характеристики.
Фиг. 5 схематично иллюстрирует процедуру 500 вычисления индекса Воббе калориметра, которая может быть использована для получения измеренного индекса Воббе WIcalorimeter, который используется в устройстве 100, показанном на фиг. 1, в качестве входной величины, подаваемой по линии 127. Схема 500 вычисления индекса Воббе калориметра иллюстрирует калориметр, который принимает образец 501 топлива 105, которое подается в газовую турбину 101. Образец того же вида топлива, который подается в газовую турбину 101, может браться из питающего трубопровода или системы питающего трубопровода, который может быть длиной в несколько метров, например, от 1 м до 20 м, выше по потоку относительно камеры сгорания. Образец 501 топлива 105 сжигается в контролируемых условиях (например, стандартных условиях) в калориметре 503, и генерируемое тепло измеряется в калориметре 503. Кроме того, калориметр 503 может иметь возможность получения удельного веса SG образца 501 топлива. Из генерируемого тепла вследствие контролируемого сжигания образца 501 топлива, калориметр 503 выводит калорийность, в частности, низшую теплотворность LCV топлива. Таким образом измеренная низшая теплотворность LCVmea, а также удельный вес SGmea подаются в элемент 505 WL-вычисления, который вычисляет из низшей теплотворности LCVmea и удельного веса SGmea измеренный индекс Воббе WIcalorimeter в соответствии со следующей формулой:
Вычисление:
Эта же информация может быть предоставлена из газового хроматографа, расположенного идентично, как в случае калориметра, но который измеряет состав образца газа и позволяет вычислять LCV и SG указанного образца.
Измеренный индекс Воббе может затем подаваться в устройство 100 для управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины 101 в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 6 иллюстрирует схему 600 для определения подстроечного коэффициента HIcaltrim, который может быть использован устройством 100, проиллюстрированным на фиг. 1, в качестве входа в арифметический элемент 113, чтобы вычислять скорректированное оцененное тепловыделение HIexpected из оцененного тепловыделения HIengmodel.
В соответствии со схемой 600, измеренный индекс Воббе (например, полученный с помощью схемы 500, показанной на фиг. 5) WIcalorimeter принимается, вслед за анализом каждого образца с интервалами, определенными оборудованием в схеме 500, суммирующим элементом 601. Кроме того, суммирующий элемент 601 принимает оцененный индекс Воббе WIengcal, который является, например, выходом интегрирующего элемента 123 устройства 100, проиллюстрированного на фиг. 1. Величина WIcaltrim установлена на разность между последними значениями WIcalorimeter и WIengcal. Суммирующий элемент 601 дополнительно принимает предыдущее значение величины WIcaltrim для вывода нового значения величины WIcaltrim. Величина WIcaltrim подается в блок 603 вычисления подстройки тепловыделения, который получает подстроечный коэффициент тепловыделения HIcaltrim в соответствии со следующей формулой:
Вычисление HI-подстройки:
Варианты способов управления дополнительно детализированы ниже:
из термодинамических характеристик двигателя, с использованием простой модели тепловыделения как функции отношения давлений двигателя и потока отбора воздуха, может быть оценено тепловыделение, поставляемое топливом. Сравнение этого значения с текущим потребным тепловыделением системы управления может указывать разность в составе топлива, влияющую на WI. Эта разность затем может быть использована для оценки нового значения WI. При использовании параллельно с калориметром топлива, оценка также может подстраиваться, чтобы поддерживать точность, так что изменения в WI могут быть идентифицированы быстро, но абсолютные значения остаются основанными на калориметре.
Способ может содержать следующие входы (не все должны быть обязательно):
- требуемое тепловыделение топлива: FFDEM, которое является тепловыделением топлива (обычно в кВт), требуемым регулятором двигателя для топливного модуля для подачи в двигатель.
- Рабочая температура: например Tfire (входная температура турбины на входе турбинной секции, эквивалентная выходной температуре камеры сгорания) из системы управления. Это может быть значение температуры системы управления, эквивалентное выходной температуре камеры сгорания или входной температуре турбины ('TIT' или 'TET').
- Рабочие параметры компрессора:
входное давление из системы управления (PT7 в бар).
Выходное давление из системы управления (PT8 в бар).
Входная температура из системы управления (Tinlet градусов Цельсия).
Выходная температура из системы управления (TCD градусов Цельсия).
- Угол выпускного клапана (может быть, например, средним, взятым из 2 клапанов): из системы управления. Используется для управления выбросами посредством извлечения воздуха перед сгоранием для поддержания выходной температуры камеры сгорания (THBOV).
- LCV и SG: от газового хроматографа или калориметра - время обновления несколько минут.
Следующие определения/терминология могут применяться:
- WICalorimeter: значение индекса Воббе, полученное из измерений калориметра или газового хроматографа,
- WIEngCal: значение индекса Воббе, оцененное из производительности двигателя ‘калориметром двигателя’,
- HIEngModel: ожидаемое значение вырабатываемого топливом тепловыделения, требуемого для работы двигателя при этом рабочем условии, оцененное непосредственно из модели характеристик двигателя,
- HIExpected: ожидаемое значение вырабатываемого топливом тепловыделения, требуемого для работы двигателя при этом рабочем условии, оцененное из модели характеристик двигателя, но с поправкой на ухудшение двигателя, или выровненное с использованием измерения свойств топлива от калориметра или газового хроматографа.
- HICalTrim: подстроечный коэффициент, полученный из измерений калориметра или модели ухудшения, который должен применяться к значению HIEngModel.
Калориметр или газовый хроматограф может выводить LCV и SG в каждый момент времени обновления. Они могут быть объединены в WI-значение (см. фиг. 5). Обнаружение неисправностей выполняется таким образом, что оба выходных значений от калориметра должны контролироваться, чтобы обеспечивать нахождение этих значений в диапазоне ожидания на основе спецификации топлива на сайте.
Вычисление калориметра двигателя может выполняться следующим образом:
перед запуском двигателя текущее значение из калориметра может подаваться в модуль топливного клапана, а также используется для инициализации интегратора 123 в ‘калориметре двигателя’. На этой стадии модель двигателя может не использоваться для оценки WI. При запуске двигателя и достижении минимальной нагрузки модель двигателя работает с начальным значением HICalTrim=1 и может обеспечивать оценки тепловыделения. Они могут сравниваться с FFDEM регулятора, чтобы генерировать ошибку 121, которая затем интегрируется путем изменения оцененного WI (WIEngCal). Это значение может предоставляться на топливный модуль 103 вместо непосредственного значения калориметра, в результате чего значение FFDEM от регулятора 117 изменяется, чтобы поддерживать постоянную работу двигателя, таким образом устраняя член ошибки.
При запуске двигателя, если подача топлива изменилась, но питающие магистрали к двигателю заполнены предыдущим составом, то на части пути в течение запуска состав может измениться резко, потенциально превышая пределы и вызывая сбой запуска. Эта ситуация может быть исправлена автоматически при повторном запуске, при условии, что калориметр предоставил обновленное значение. Этого также можно избежать путем продувки питающей магистрали перед запуском. Если калориметр не доступен в начале запуска, может быть использовано последнее значение WIEngCal.
Вычисление калориметра двигателя может осуществляться, только если удовлетворен критерий ‘устойчивого состояния’, как указано ниже:
критерий устойчивого состояния двигателя:
записать максимальное (max) и минимальное (min) значения параметра регулирования температуры, например, Tfire (температура на входе турбины) в течение повторяющихся 5 минут до текущего времени.
Устойчивое, если Tfiremax - Tfiremin < Tss
где Tss - параметр, первоначально установленный на 20°C.
Вычисление подстройки калориметра может быть выполнено следующим образом, со ссылкой на фиг. 6:
эта процедура может выполняться один раз при получении обновления от калориметра, при условии, что:
1/ WIEngCal было стабильным в течение по меньшей мере одного интервала обновления калориметра (+/-2% (регулируемый параметр в системе)) и WICalorimeter = предыдущее значение +/-2%.
2/ Применение последнего обновления было завершено.
3/ Контроль LCV и SG калориметра подтверждает, что оба значения находятся в определенных местоположением пределах.
80% (регулируемый параметр) изменения в HICalTrim может быть применено медленно, в течение 30 секунд (регулируемый параметр). Это может привести к тому, что в способе никогда не используются два последовательных калориметрических значения, если только изменение не находится в диапазоне стабильности.
Следующие предположения могут применяться:
1/ Форма характеристики нового и чистого двигателя является действительной для всех условий работы двигателя.
2/ Двигатель работает в приближенно стационарном состоянии (термически).
Следует отметить, что термин "содержащий" не исключает других элементов или этапов, и указание единственного числа не исключает множества. Также элементы, описанные в связи с различными вариантами осуществления, могут быть объединены. Следует также отметить, что ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны интерпретироваться как ограничивающие объем формулы изобретения.