Система и способ автонастройки системы сгорания топлива газовой турбины
SYSTEM AND METHOD FOR AUTO CONFIGURATION OF FUEL COMBUSTION SYSTEM OF GAS TURBINE

Область техники
Варианты осуществления настоящего изобретения относятся в общем к способам и системам и в частности к механизмам и способам автоматической настройки системы сгорания топлива газовой турбины.
Предпосылки создания изобретения
Газовые турбины используются во многих отраслях промышленности - от военной до энергетической. В основном они используются для производства электроэнергии. Однако некоторые газовые турбины применяются для приведения в движение различных транспортных средств, самолетов, судов и т.п. В зависимости от применения турбины должны работать с различными настройками и в различных условиях. Это вызывает необходимость разработки систем управления для поддержания работы турбин. Упомянутые системы управления разрабатывают для управления системой сгорания топлива газовой турбины. К сожалению, во многих системах управления для управления турбиной используется статический анализ, основанный на фиксированных значениях. Кроме того, многие из упомянутых систем, по меньшей мере в некоторой степени, требуют ручного вмешательства, что увеличивает затраты и вероятность ошибок. Например, традиционную систему сгорания топлива газовой турбины необходимо настраивать несколько раз за весь срок работы газовой турбины. Специальный персонал выполняет эту операцию вручную. Необходимо обеспечить такой персонал на месте каждой газовой турбины, что является длительной и дорогостоящей процедурой. Помимо этого, имеются нормативно-правовые акты, касающиеся газовых турбин, согласно которым необходимо обеспечить минимальный уровень контроля загрязняющих выбросов. Эти так называемые «зеленые» нормативно-правовые акты являются дополнительным стимулом для управления работой газовых турбин. В связи с этим необходимо предложить системы и способы, позволяющие избежать указанных выше проблем и недостатков.
Сущность изобретения
В соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения предлагается способ автонастройки системы сгорания топлива газовой турбины. Упомянутый способ включает шаг выбора первой настроечной кривой из множества настроечных кривых для газовой турбины; шаг разбалансировки стабильной рабочей точки газовой турбины путем изменения одного или более рабочих параметров на основе заранее заданного набора команд; шаг определения настроечных параметров и их сохранения, в то время как текущую рабочую точку газовой турбины возвращают на упомянутую первую настроечную кривую, и шаг формирования резервной копии настроечных параметров для восстановления стабильной рабочей точки.
В соответствии с еще одним примером осуществления настоящего изобретения предлагается контроллер в газовой турбине для автонастройки системы сгорания топлива газовой турбины. Упомянутый контроллер включает устройство хранения, сконфигурированное для хранения настроечных кривых газовой турбины; процессор, соединенный с упомянутым устройством хранения и сконфигурированный для выбора первой настроечной кривой из множества настроечных кривых для газовой турбины, разбалансировки стабильной рабочей точки газовой турбины путем изменения одного или более рабочих параметров на основе заранее заданного набора команд, определения настроечных параметров и их сохранения, в то время как текущую рабочую точку газовой турбины возвращают на упомянутую первую настроечную кривую, и формирования резервной копии настроечных параметров для восстановления стабильной рабочей точки.
В соответствии с еще одним примером осуществления настоящего изобретения предлагается газовая турбина, включающая систему сгорания топлива, контроллер, имеющий устройство хранения, сконфигурированное для хранения настроечных кривых системы сгорания топлива упомянутой газовой турбины, и процессор, соединенный с упомянутым устройством хранения. Упомянутый процессор сконфигурирован для выбора первой настроечной кривой из множества настроечных кривых для газовой турбины;
разбалансировки стабильной рабочей точки газовой турбины путем изменения одного или более рабочих параметров на основе заранее заданного набора команд; определения настроечных параметров и их сохранения, в то время как текущую рабочую точку газовой турбины возвращают на упомянутую первую настроечную кривую, и формирования резервной копии настроечных параметров для восстановления стабильной рабочей точки.
В соответствии с еще одним примером осуществления настоящего изобретения предлагается машиночитаемый носитель, включающий исполняемые инструкции, которые при их исполнении реализуют описанный выше способ автонастройки системы сгорания топлива газовой турбины.
Краткое описание чертежей
Приложенные чертежи, формирующие часть настоящего описания, иллюстрируют один или более вариантов осуществления настоящего изобретения и вместе с описанием поясняют упомянутые варианты осуществления изобретения.
На фиг.1 представлен один из примеров осуществления системы управления газовой турбиной.
На фиг.2 представлен один из примеров газовой турбины.
На фиг.3 представлен один из примеров способа управления газовой турбиной.
На фиг.4 концептуально проиллюстрирован способ осуществления адаптивного управления.
На фиг.5 представлен еще один вариант осуществления способа управления газовой турбиной.
На фиг.6 представлен один из вариантов осуществления модуля автонастройки.
На фиг.7 представлен один из вариантов осуществления способа автонастройки газовой турбины.
На фиг.8 представлен один из вариантов осуществления контроллера, в котором реализуют способ автонастройки.
Подробное описание изобретения
Дальнейшее описание примеров осуществления настоящего изобретения связано с приложенными чертежами. Одни и те же числовые обозначения на различных чертежах использованы для указания на одни и те же или аналогичные элементы. Последующее подробное описание не ограничивает настоящее изобретение. Объем настоящего изобретения определяется приложенной формулой изобретения. Для простоты варианты осуществления настоящего изобретения рассмотрены в отношении терминологии и структуры системы сгорания топлива газовой турбины. Однако рассмотренные варианты осуществления настоящего изобретения не ограничены газовой турбиной и могут быть применены к другим турбомашинам.
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.
На фиг.1 представлен один из вариантов осуществления системы управления газовой турбиной. В отличие от статических систем система, показанная на фиг.1, адаптивно управляет системой сгорания топлива газовой турбины путем автоматического формирования архива истории состояния, установки, выбросов и другой информации, связанной с производительностью, и адаптивной настройки данных управления для улучшения работы турбины, ее эффективности или уменьшения выбросов или, в других случаях, для обеспечения работы турбины в одном или более требуемых диапазонах. Посредством подобного динамического управления система автоматически, без вмешательства или с минимальным вмешательством пользователя, "обучается" тому, какие данные управления лучше подходят для целевого применения турбины.
Как показано на фиг.1, первый вариант осуществления настоящего изобретения включает процессор 10, устройство 20 хранения, газовую турбину 30, датчики 40 и нагрузку 50. В то время как первый вариант осуществления настоящего изобретения относится к управлению работой турбины, в других вариантах его осуществления данная система может быть применена для динамического и адаптивного управления работой других типов источников электропитания или генераторов.
Процессор 10 контролирует турбину на различных этапах ее работы и осуществляет автоматическое управление системой сгорания топлива газовой турбины на основе данных планирования и данных управления, а также алгоритмов, хранимых во внутренней или внешней памяти, описанной более подробно ниже. По своей структуре упомянутый процессор может представлять собой микрокомпьютер, контроллер или другой тип процессорной микросхемы или набора микросхем, управляемых, например, упомянутыми программами планирования и управления. Пример внутренней памяти показан посредством числового обозначения 15.
В соответствии с одним из применений процессор может представлять собой или включать одно или более из следующего: механизм на основе правил, нейронную сеть, виртуальную машину или конечный автомат, которые выполняют когнитивное моделирование и динамическое управление. Устройство 20 хранения может хранить данные планирования и управления для поддержки такого моделирования. Данное устройство хранения может также служить архивом для хранения необработанных данных от датчиков, а также других данных, на основе которых могут быть получены производительность турбины, ее эффективность и информация о выбросах.
Если процессор представляет собой или включает механизм на основе правил (или механизм логического вывода), то устройство 20 хранения может служить в качестве базы знаний, в которой хранится информация, включающая, например, начальный набор установок, правил, ограничений, запаса надежности и/или других данных управления, используемых для отображения и моделирования работы системы сгорания топлива газовой турбины. Упомянутое устройство хранения может также хранить различные алгоритмы управления для управления турбиной, в дополнение к алгоритмам, хранимым в памяти 15, или вместо них. При этом данные о производительности, эффективности и данные, связанные с выбросами, включающие данные датчиков или данные, полученные на их основе, вместе с динамикой сгорания могут архивироваться в устройстве 20 во время работы турбины.
На основе этих архивированных данных начальные установки, правила, ограничения и/или другие данные управления могут автоматически настраиваться для получения требуемого уровня производительности. Например, начальные данные управления в устройстве хранения могут быть неоптимальными для получения заранее заданного уровня производительности. Альтернативно, может потребоваться возврат системы сгорания топлива к требуемым условиям работы. С течением времени информация о состоянии и данные датчиков могут архивироваться и анализироваться для определения, с использованием механизма на основе правил, того, каким образом упомянутые данные управления могут настраиваться для повышения производительности. Правила в упомянутом механизме могут управлять упомянутыми настройками, при этом настройки могут быть сохранены как новые данные управления турбиной.
Посредством подобных методов "обучения" процессор может динамически и адаптивно строить резервную кривую, используемую для поддержания работы блока при сгорании топлива. Резервная кривая или новая кривая позволяет минимизировать динамику сгорания, что снижает риск ошибок и необходимость ручной настройки кривой.
Если процессор представляет собой или включает нейронную сеть (или использует другие методы), то упомянутая сеть может включать множество нейронов (например, программных конструкций), соответствующих различным параметрам, установкам, ограничениям и/или условиям для моделирования работы турбины. Нейроны могут быть связаны между собой для задания способа управления турбиной в различных условиях работы и/или нагрузки. Упомянутые взаимосвязи и/или сами нейроны могут настраиваться, удаляться и/или заменяться на основе информации обратной связи от датчиков и упомянутой архивированной информации для обеспечения работы турбины в пределах одного или более требуемых диапазонов.
В соответствии с одной из реализации, нейронная сеть может быть основана на конечном автомате с состояниями и переходами, которые соответствуют заранее заданным условиям или рабочим параметрам. Автомат может динамически модифицироваться из своей начальной конфигурации для управления турбиной на основе, например, одного или более хранимых алгоритмов. В других вариантах осуществления изобретения для реализации функций процессора системы, показанной на фиг.1, могут использоваться иные методы математического моделирования.
Кроме того, в то время как для некоторых применений может оказаться предпочтительным использование искусственного интеллекта, в других вариантах осуществления настоящего изобретения могут применяться другие архитектуры обработки данных. Например, упомянутый процессор может представлять собой схему под управлением микропроцессора с заранее загруженными программами управления, которая осуществляет адаптивное управление турбиной на основе архивированных данных датчиков, данных о производительности и/или выбросах. В других вариантах осуществления настоящего изобретения упомянутый процессор может представлять собой ноутбук или компьютер другого типа, выполняющий адаптивное управление описанного типа.
Независимо от процессорной архитектуры в одном из примеров применения устройство 20 хранения может хранить начальные наборы данных управления для системы сгорания топлива газовой турбины в различных условиях и на различных этапах ее работы. Как было указано выше, эти данные управления могут включать рабочие параметры, ограничения и/или данные планирования. Для газовых турбин DLE упомянутые параметры могут включать, не ограничиваясь этим, температуру горения, степень сжатия компрессора, давление и температуру на входе в компрессор, давление и температуру на выходе компрессора, температуру выхлопного газа турбины, установки входного направляющего аппарата, опорную температура сгорания и/или другие параметры сгорания, а также тепло, отбираемое на вход, и т.д.
Упомянутые ограничения могут включать уровни выбросов, динамическое давление сгорания, исчезновение пламени при уменьшении подачи топлива, пределы помпажа компрессора, обледенение компрессора, ограничения потока топлива, уровни распределения топлива в камере сгорания, пределы эффективности, зазоры компрессора, а также другие рабочие и/или связанные с окружающей средой установки или ограничения.
Упомянутые данные планирования могут включать зависимость температуры выхлопного газа от коэффициента давления компрессора, зависимость распределения топлива от опорной температуры сгорания, зависимость тепла, отбираемого на вход, от установок входного направляющего аппарата, а также зависимость предельной линии работы компрессора от скорректированной скорости и установок входного направляющего аппарата и т.д. Для других типов турбин и их применений могут использоваться другие или дополнительные параметры.
В совокупности информация в устройстве 20 хранения обеспечивает возможность моделирования работы системы сгорания топлива газовой турбины в различных условиях. Другими словами, эта информация позволяет "отобразить" рабочее пространство газовой турбины и связанной с ней нагрузки, при этом упомянутое отображение может быть использовано в качестве основы для управления сгоранием топлива и/или другими рабочими аспектами для поддержания работы газовой турбины в стабильном, оптимальном или ином требуемом диапазоне. С точки зрения структуры, упомянутое устройство хранения может представлять собой одно или более из следующего: память, база данных, база правил или знаний или их комбинация.
Газовая турбина 30 может являться турбиной любого типа, включая газовую турбину с сухим подавлением выбросов (dry low-emission, DLE) или турбину с сухим подавлением NOx, а также может являться любой турбиной из множества других турбин, используемых для применения производства электроэнергии, транспортных или промышленных применений. Примеры турбин DLE включают турбины, применяемые в турбореактивных, турбовентиляторных и турбовинтовых двигателях.
На фиг.2 показан один из примеров газовой турбины, управление которой может осуществляться в соответствии с одним или более описанными вариантами осуществления настоящего изобретения. Газовая турбина включает компрессор 112, по меньшей мере одну камеру 114 сгорания, турбину 116, соединенную с компрессором 112, и компьютерную систему 118 управления, которая, например, может включать процессор 10, показанный на фиг.1, или соответствовать ему.
Упомянутая система включает также набор каналов. Например, входной канал 120 подает воздух из окружающей среды в компрессор 112 через множество входных направляющих аппаратов 121, а выходной канал 122 направляет газообразные продукты сгорания из турбины 116, например, в электрический генератор 124 или через него. Для соответствия нормативно-правовым актам могут быть также включены одно или более устройств контроля загрязняющих выбросов и подавления шума.
Газовая турбина включает также систему 128 управления топливом для регулирования потока топлива из топливоподачи в камеру 114 сгорания (систему сгорания топлива) и потока топлива через один или более разделителей топлива в различные группы форсунок. Например, камера сгорания может включать первичные и вторичные форсунки, тогда как другие камеры сгорания могут включать три различные группы горелок с множеством возможных комбинаций распределения топлива. Система управления топливом может также выбирать тип топлива для камеры сгорания. Система 128 управления топливом может быть отдельным блоком или может представлять собой компонент главного контроллера 118.
Контроллер 118 (который может соответствовать процессору 10, показанному на фиг.1) может быть компьютерной системой, содержащей по меньшей мере один процессор, который выполняет программы и операции для управления работой системы сгорания топлива газовой турбины с использованием входных данных от датчиков и команд человека-оператора, Как было указано выше, программы и операции, исполняемые упомянутым контроллером, могут включать, помимо прочего, измерение или моделирование рабочих параметров, моделирование рабочих границ, применение рабочих граничных моделей, применение алгоритмов планирования и применение логики граничного управления для замыкания контура на границах.
Команды, сформированные упомянутым контроллером, могут побуждать приводы системы сгорания топлива газовой турбины, например, управлять клапанами (например, с помощью привода 127) между топливоподачей и камерами сгорания, которые регулируют поток, распределение топлива и вид топлива, поступающего в камеры сгорания, управлять входным направляющим аппаратом 121 (с помощью привода 129) на компрессоре, регулировать тепло, отбираемое на вход, а также активировать другие установки управления на газовой турбине.
В настоящем описании термин "газовая турбина" может относиться не только к самой турбине, но также и ко всем сопутствующим устройствам, включая, не ограничиваясь этим, входной канал, направляющие аппараты, компрессор, контроллер управления топливом, камеру сгорания и выходной канал. Данные с датчиков для этих элементов могут подаваться обратно в процессор и использоваться для настройки начальных данных моделирования, а также для реализации других аспектов, относящихся к адаптивному динамическому управлению.
Как показано на фиг.1, датчики 40 расположены в заранее заданных местоположениях во всей архитектуре турбины и, в некоторых случаях, нагрузки. Примеры датчиков включают датчики температуры, потока, давления, датчики динамического давления сгорания и датчики влажности, а также датчики 126, показанные на фиг.2.
Датчики могут также включать группы дополнительных датчиков температуры для контроля, например, температуры окружающего воздуха для газовой турбины, температуры на выходе компрессора, температуры выхлопного газа турбины и других измерений температуры потока газа через турбину.
Другие датчики могут включать датчики, контролирующие давление окружающей среды, а также уровни статического и динамического давления на входе в компрессор и на выпуске выхлопного газа турбины, а также в других местоположениях газового потока. Дополнительные примеры включают психрометры, датчики влажности во входном канале компрессора, датчики потока, датчики скорости, датчики обнаружения пламени, датчики положения клапанов, датчики входного направляющего аппарата.
Нагрузка 50 может быть различной в зависимости от конкретного применения. Например, нагрузка может представлять собой электрический генератор или нагрузку на основе двигателя/дросселя.
На фиг.3 показан один из вариантов осуществления способа управления газовой турбиной. Способ может выполняться, например, системой, показанной на фиг.1, или другой системой и может применяться для динамического управления турбиной для получения, например, определенного уровня производительности и/или для соответствия определенным нормам выбросов. Для иллюстрации способ будет описан на примере системы, показанной на фиг.1.
На начальном шаге в устройстве хранения сохраняют информацию о системе сгорания топлива газовой турбины (блок 210). Как было указано выше, эта информация может представлять собой начальный набор данных управления, включая, не ограничиваясь этим, установки, параметры, ограничения и/или данные планирования для начального управления работой турбины. Эта информация может быть загружена в упомянутое устройство хранения производителем системы и, соответственно, может считаться начальным отображением или моделированием рабочих точек и условий турбины. Это начальное моделирование может не обеспечивать управление турбиной, необходимое для ее работы в оптимальном или заранее заданном диапазоне, и может потребоваться настройка в соответствии с последующими шагами.
В упомянутом устройстве хранения может храниться сопровождающий набор алгоритмов для использования совместно с упомянутой информацией в устройстве хранения. Упомянутые алгоритмы могут управлять синхронизацией работы различных частей турбины на основе хранимых данных управления. В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, к самим алгоритмам настройка может не применяться. В таком случае для влияния на эффективность турбины могут настраиваться только упомянутые установки, ограничения и другие хранимые данные управления. В других вариантах осуществления настоящего изобретения, в дополнение к данным управления, могут автоматически настраиваться также и сами алгоритмы.
После сохранения упомянутых информации и алгоритмов турбина может управляться на основе упомянутых данных начального отображения и моделирования. При работе турбины информацию о состоянии, данные датчиков и статистику производительности принимают от датчиков в реальном времени или почти в реальном времени с помощью процессора (блок 220). Эта информация архивируется в устройстве 20 хранения или в ином устройстве хранения и/или может передаваться через сеть в удаленное местоположение для хранения и анализа.
По истечении заранее заданного рабочего времени получают запись истории производительности, выбросов и/или других аспектов работы системы сгорания топлива турбины. Затем эта информация может быть проанализирована процессором (блок 230). Упомянутое заранее заданное время истечения может соответствовать, например, определенному времени работы и/или определенному запланированному расписанию работы, которые применяются для управления турбиной на различных этапах ее работы. Упомянутый анализ может включать, например, сравнение различной статистики производительности с заранее заданными нормами или ограничениями и/или сравнение уровня выбросов с государственными или другими целевыми ограничениями. На основе результата этих сравнений процессор может определять, работает ли турбина на приемлемом или оптимальном уровне.
Если определено, что газовая турбина работает вне требуемого диапазона или уровня, на основе, например, упомянутой архивированной информации и/или данных датчиков, то процессор может автоматически "настраивать" часть начальных данных управления (например, хранимых установок, ограничений или другой информации), хранимых для отображения или моделирования работы газовой турбины (блок 240). Эта процедура настройки может выполняться различными способами.
Например, если определено, что параметр эффективности или производительности или параметр защиты (например, динамическое давление сгорания является мерой, используемой для защиты двигателя от чрезмерных вибраций) лежит вне заданного диапазона, то может автоматически регулироваться температура горения посредством заранее заданного положительного или отрицательного шага изменения. Затем может измеряться производительность турбины для определения, имеется ли улучшение. Если нет, могут итеративно осуществляться дополнительные пошаговые настройки до тех пор, пока данные датчиков и/или другие данные о производительности не будут указывать на то, что турбина работает в заданном диапазоне. Измененные данные могут затем сохраняться как часть модифицированного набора данных управления для последующего использования, когда, например, будет иметь место такой же или похожий набор условий или обстоятельств (блок 250). Таким образом, данные моделирования, управляющие работой системы сгорания топлива газовой турбины, могут адаптивно настраиваться с течением времени, обеспечивая автоматическую динамическую настройку турбины. Кроме того, распределение топлива представляет собой параметр, который аналогичным образом может настраиваться для минимизации динамики сгорания.
В соответствии с другим примером температура горения может быть установлена равной одному или более заранее заданным фиксированным значениям, если определено, что турбина работает вне требуемого диапазона. В других вариантах осуществления настоящего изобретения может использоваться другая техника настройки.
Для обеспечения управления динамикой сгорания могут также настраиваться другие параметры. Эти параметры могут включать степень сжатия компрессора, давление на входе в компрессор и температуру компрессора, давление на выходе компрессора и температуру компрессора, температуру выхлопного газа турбины, установки входного направляющего аппарата, опорную температуру сгорания и/или другие параметры сгорания, а также тепло, отбираемое на вход, связанные с эффективностью турбины. Естественно, состояние и условия нагрузки могут также учитываться при настройке.
На основе упомянутых сравнений, выполняемых процессором, могут автоматически настраиваться различные ограничения. Например, если определено, что уровень выбросов турбины превышает определенные пределы на одном или более этапах ее работы, то может осуществляться управление соответствующими установками системы сгорания топлива газовой турбины для уменьшения выбросов ниже упомянутого предела. Кроме того, если имеющиеся нормативно-правовые акты изменяются, или принимаются новые нормативно-правовые акты, то для обеспечения соответствующей работы турбины данные управления, соответствующие этим ограничениям, могут быть обновлены в устройстве хранения.
Другие ограничения включают, например, состав газового топлива, исчезновение пламени при уменьшении подачи топлива, пределы помпажа компрессора, обледенение компрессора, ограничения топливного потока, уровни распределения (или разделения) топлива в камере сгорания и зазоры компрессора.
На основе упомянутых сравнений, выполняемых процессором, могут также автоматически настраиваться различные данные планирования. Эти данные могут включать зависимость температуры выхлопного газа от коэффициента сжатия компрессора, зависимость распределения топлива от опорной температуры горения, зависимость тепла, отбираемого на вход, от установок входного направляющего аппарата, а также зависимость предельной линии работы компрессора от скорректированной скорости и установок входного направляющего аппарата.
Результатом этих шагов является формирование улучшенного набора данных управления для моделирования и управления работой турбины. Настроенные данные управления могут быть сохранены в устройстве 20 хранения, показанном на фиг.1, и могут настраиваться на основе сигналов 25 от процессора 10. Настроенные данные управления могут быть впоследствии вызваны процессором через линию 45 передачи сигналов, при этом могут быть сформированы сигналы управления, передаваемые в турбину через линию 35 передачи сигналов.
На фиг.4 концептуально показано, каким образом может выполняться упомянутый выше адаптивный способ. После сохранения начального набора данных управления осуществляют управление турбиной, при этом производительность турбины, выбросы и/или другие данные, связанные с турбиной, архивируют для формирования записи истории (блок 260). В запрограммированные моменты времени или через регулярные интервалы работу газовой турбины целевым образом изменяют (например, разбалансируют), при этом анализируют (блок 270) текущие данные и упомянутые архивированные данные для определения аспектов производительности турбины, лежащих вне заранее заданных диапазонов или выходящих за рамки определенных ограничений или пределов (блок 280). Эти данные управления затем настраивают для приведения производительности турбины в упомянутые диапазоны или пределы (блок 290). Посредством этой процедуры адаптивно настраивают данные управления для повышения производительности турбины, при этом система управления "обучается" тому, как газовая турбина реагирует на изменение параметров и как газовая турбина может быть возвращена в нормальные рабочие условия.
На фиг.5 показан еще один вариант осуществления способа управления газовой турбиной. Данный способ может быть реализован в виде программного обеспечения, специализированного аппаратного обеспечения или их комбинации. Как и предыдущий способ, вариант способа, показанный на фиг.5, может выполняться системой, показанной на фиг.1, или другой системой для управления турбиной для обеспечения ее работы в одном или более заранее заданных диапазонах производительности или выбросов. Способ может быть реализован в контроллере 118, показанном на фиг.2. Более подробная структура контроллера 118 будет рассмотрена ниже.
На начальном шаге выбирают начальную настроечную кривую для использования в управлении системой сгорания топлива газовой турбины (блок 310). Данная газовая турбина имеет множество настроечных кривых, хранимых и используемых для управления системой сгорания топлива газовой турбины. Настроечная кривая может назначать одну или более установок, параметров или ограничений для различных элементов турбины, включая, не ограничиваясь этим, любые параметры, описанные при рассмотрении других вариантов осуществления изобретения. Настроечная кривая, соответственно, может рассматриваться для обеспечения начального отображения работы газовой турбины для моделирования ее работы на различных этапах работы в устойчивом состоянии.
В соответствии с одним из примеров настроечная кривая может представлять собой кривую, связывающую температуру выхлопного газа турбины (turbine temperature exhaust, ttx) с коэффициентом давления турбины (turbine pressure ratio, tpr). Температура выхлопного газа турбины может соответствовать температуре на выходе турбины, а коэффициент давления турбины может соответствовать отношению давления на выходе компрессора к давлению выхлопного газа турбины. Альтернативно, показания давления могут браться в других местоположениях газовой турбины. В соответствии с другим примером, относящимся к системе сгорания топлива, настроечная кривая может представлять собой кривую, связывающую температуру пламени групп горелок с температурой на входе в камеру сгорания.
Другие настроечные кривые могут связывать комбинацию, например, следующих параметров: температуры горения, скорости, угла входного направляющего аппарата, влажности и состояний клапанов. Кроме того, в различных условиях окружающей среды могут применяться различные кривые. Например, одна кривая может применяться, если влажность находится на относительно высоком уровне, а другая - если влажность находится на относительно низком уровне. То же справедливо и в отношении температуры окружающей среды. Другие кривые могут быть связаны с соотношением компонентов газового топлива или другими параметрами, связанными со сгоранием, для обеспечения регулировки эффективности, выбросов и (приемлемой) динамики сгорания.
После начала работы, на основе начальной настроечной кривой, может происходить одно из двух событий. Первое событие соответствует случаю, когда принимают предупреждение (блок 320). Предупреждение может генерироваться внутренним алгоритмом управления, когда обнаружено, что параметр сгорания попадает в заранее заданный диапазон (или выпадает из него), и/или параметр выбросов нарушает заранее заданное ограничение. Когда это происходит, информацию предупреждения передают в контроллер 118 для выполнения шага разбалансировки (блок 340), который описан ниже. Упомянутые диапазоны, ограничения или пороги, используемые для формирования упомянутого предупреждения, могут быть запрограммированы в системе, например, производителем или персоналом на месте эксплуатации. Следует отметить, что параметры выбросов могут быть измерены непосредственно на газовой турбине или оценены специализированным модулем на основе рабочих параметров газовой турбины.
Второе событие, запускающее шаг 340 разбалансировки, соответствует случаю выполнения заранее заданного алгоритма планирования (блок 330). Упомянутый алгоритм планирования (алгоритм автонастройки) может обеспечивать прием и анализ данных датчиков упомянутым контроллером через равномерные или заранее заданные временные интервалы в период работы турбины для определения ее эффективности и/или выбросов. Это может происходить несколько раз в сутки, например, в течение начального периода обучения. Следует отметить, что, когда имеет место шаг 330, газовая турбина находится в устойчивом состоянии.
Во время выполнения шага разбалансировки контроллер определяет один или более параметров газовой турбины. Непосредственно перед выполнением этого шага газовая турбина находится в устойчивом состоянии. Контроллер изменяет один или более параметров газовой турбины, так что газовая турбина выходит из упомянутого устойчивого состояния. Другими словами, после шага 340 разбалансировки рабочая точка газовой турбины смещается с определенной настроечной кривой, выбранной на шаге 310. На этом этапе необходимо предпринять действия для возврата газовой турбины на настроечную кривую и для обеспечения ее работы в устойчивом состоянии.
Если шаг 340 разбалансировки вызван шагом 320, имеется две альтернативы. Либо событие, формирующее предупреждения, считается разбалансирующим систему, при этом дополнительная разбалансировка не требуется, либо шаг 340 дополнительно разбалансирует газовую турбину. Примеры параметров, которые могут использоваться для разбалансировки газовой турбины, показаны на шаге 350 и могут включать, не ограничиваясь этим, распределение топлива в различных кольцах газовой турбины, распределение топлива между горелками, соотношение топливо/воздух, смещение и т.п. При этом задают границы этих параметров в течение упомянутого периода для предотвращения разбалансировки турбины сверх критического состояния, из которого газовая турбина не может быть возвращена в устойчивое состояние.
Упомянутая разбалансировка может включать отклонение от начальной настроечной кривой, например, путем автоматического пошагового изменения или другой итеративной или разовой настройки одного или более соответствующих параметров в соответствии с предшествующим описанием. Эти параметры могут быть связаны с системой сгорания топлива газовой турбины.
После шага разбалансировки (который может выполняться несколько раз в день в течение периода обучения, например, 3-12 месяцев) контроллер отслеживает изменения производительности и/или выбросов газовой турбины (блок 360). Параметры настройки записывают для отображения влияния разбалансировки на систему и реакции системы на разбалансировку.
На шаге 370 контроллер настраивает соответствующие параметры (в зависимости от того, какие параметры были разбалансированы на шаге 350) для возвращения газовой турбины к работе в устойчивом состоянии. Упомянутые процедуры разбалансировки газовой турбины с помощью различных комбинаций параметров и последующего возврата рабочей точки газовой турбины на требуемую кривую формируют шаг 370 обучения. На этом шаге формируют резервную копию изучаемой настроечной кривой. Эту резервную копию улучшают или расширяют в течение упомянутого "периода обучения". Опционально упомянутая резервная копия может предлагаться упомянутым контроллером оператору, когда в реальной ситуации работа газовой турбины становится разбалансированной.
На шаге 380 формулируют/сохраняют новые критерии допустимости настроечной кривой, после чего контроллер возвращается к шагу 310 для выбора другой настроечной кривой. Описанные выше шаги повторяют до тех пор, пока не будут изучены все настроечные кривые. Эту процедуру выполняют итеративно, каждый раз выполняя дополнительные настройки до тех пор, пока не будет автоматически адаптивно сформирована настроечная кривая для оптимизации производительности газовой турбины или настройки для обеспечения ее работы в одном или более требуемых диапазонах или на одном или более требуемых уровнях.
Может быть включен ряд опциональных шагов. Например, после модифицирования настроечной кривой резервная информация, соответствующая модифицированной настроечной кривой, может быть сохранена во внешнем устройстве хранения для обеспечения возможности восстановления кривой в случае возникновения ошибки. Упомянутая резервная информация может быть передана во внешнее устройство хранения, например, через линию связи сети Интернет или обратного канала. При этом сохранение упомянутой кривой позволяет оператору при необходимости выполнять дополнительные настройки.
Описанный выше способ может быть реализован в контроллере, показанном на фиг.6. Контроллер 400 может представлять собой контроллер системы сгорания топлива газовой турбины 402 или контроллер, удаленно расположенный относительно газовой турбины. Контроллер 400 принимает рабочие данные от газовой турбины по линии 404 связи и подает эту информацию по линии 406 связи в модуль 408 автонастройки. Модуль 408 автонастройки может быть частью контроллера 400 или независимым от него. Контроллер 408 включает алгоритм оптимизации, который по существу реализует способ, показанный на фиг.5. Модулем 408 формируется оптимизированный набор констант 410, при этом упомянутые константы подаются либо непосредственно в контроллер 400, либо оператору контроллера 400 для рассмотрения. Оператор газовой турбины может модифицировать начальный набор констант 412, которые используются для управления газовой турбиной, на основе оптимизированного набора констант 410.
Таким образом, газовая турбина, содержащая модуль 408 автонастройки, будет использовать рабочие параметры и суточные записи параметров газовой турбины для определения поверхности рабочих точек. Упомянутый модуль проверяет расстояние между рабочей точкой и критическими состояниями для задания резервной копии настроечных констант (например, задаваемые настроечные константы могут быть таблицами, связывающими температуру Tfire воспламенения с Т3 в различных режимах сгорания и для различных колец сгорания) для восстановления стабильной работы и поддержания производительности газовой турбины. С помощью этого отображения и анализа текущей рабочей точки данный модуль будет предлагать и настраивать новые наборы параметров сгорания, обеспечивая надежную работу и автонастройку системы. Таким образом, предлагаемый модуль для газовой турбины предпочтительно обучается на базе истории работы газовой турбины для задания отображения безопасных условий, собирает данные о газовой турбине для задания запаса надежности работы, помогает операторам управлять газовыми турбинами, уменьшая потребность в настройке системы сгорания топлива, обеспечивает набор диагностических показателей для выявления потенциальных проблем в отсеке сгорания топлива и обеспечивает систему, которая снижает уровень выбросов путем обновления настроечных констант системы сгорания топлива на основе предшествующих оптимизированных состояний.
В соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения, показанным на фиг.7, предлагается способ автонастройки системы сгорания топлива газовой турбины. Упомянутый способ включает шаг 700 выбора первой настроечной кривой из множества настроечных кривых для газовой турбины; шаг 702 разбалансировки стабильной рабочей точки газовой турбины путем модифицирования одного или более рабочих параметров на основе заранее заданного набора команд; шаг 704 определения настроечных параметров и их сохранения, в то время как текущую рабочую точку газовой турбины возвращают на упомянутую первую настроечную кривую, и шаг 706 формирования резервной копии настроечных параметров для восстановления стабильной рабочей точки.
Опционально упомянутый способ включает шаг изучения поведения газовой турбины путем выбора второй настроечной кривой и повторения описанных выше шагов для упомянутой второй настроечной кривой или шаг сохранения суточных рабочих параметров газовой турбины и шаг формирования резервной копии настроечных параметров на основе упомянутых сохраненных суточных рабочих параметров и текущих рабочих параметров. Способ может также включать шаг проверки расстояния между критическими условиями газовой турбины и упомянутой резервной копией настроечных параметров, шаг приема предупреждений, связанных с динамикой сгорания и выбросами газовой турбины, а также шаг формирования резервной копии настроечных параметров на основе сохраненных суточных рабочих параметров, текущих рабочих параметров и выбросов газовой турбины.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения может обеспечиваться машиночитаемый носитель для хранения компьютерных инструкций и кода для исполнения всех или части шагов ранее описанных вариантов осуществления способов управления. Упомянутый машиночитаемый носитель может соответствовать, например, памяти 15, показанной на фиг.1, или другому устройству хранения.
Один из примеров типового контроллера и/или модуля, способного выполнять операции в соответствии с описанными выше примерами осуществления настоящего изобретения, показан на фиг.8. Для выполнения различных описанных шагов и операций может применяться аппаратное обеспечение, встроенное программное обеспечение, программное обеспечение или их комбинация. Структура 800, показанная на фиг.8, представляет собой пример контроллера/модуля, который может использоваться в сочетании с такой системой.
Пример структуры 800, пригодной для осуществления действий, описанных в примерах осуществления настоящего изобретения, может включать сервер 801, который может соответствовать любому из контроллеров, показанных на фиг.2 и 6. Сервер 801 может включать центральный процессор (CPU) 802, подключенный к оперативной памяти 804 (random access memory, RAM) и постоянной памяти 806 (read-only memory, ROM). Память ROM 806 может также представлять собой другие типы носителей для хранения программ, например, программируемую память ROM (programmable ROM, FROM), стираемую память FROM (erasable PROM, EPROM) и т.п. Процессор 802 может взаимодействовать с другими внутренними и внешними компонентами посредством схемы 808 ввода/вывода (I/O) и шины 810 для обеспечения сигналов управления и т.д. Процессор 802 выполняет различные функции под управлением инструкций программного и/или встроенного программного обеспечения, как известно в данной области техники.
Сервер 801 также может включать одно или более устройств хранения данных, включая приводы 812 жестких и гибких дисков, приводы 814 CD-ROM и другое аппаратное обеспечение, способное осуществлять чтение и/или хранение информации, например, DVD и т.п. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения программное обеспечение для осуществления описанных выше шагов может храниться и распространяться на CD-ROM 816, дискете 818 или на носителе другого типа с возможностью портативного хранения информации. Этот носитель данных может вставляться в такие устройства, как привод 814 CD-ROM, дисковый привод 812 и т.п., и считываться этими устройствами. Сервер 801 может быть связан с дисплеем 820, который может представлять собой любой из существующих типов дисплеев или презентационных экранов, например, LCD-дисплеи, плазменные дисплеи, электронно-лучевые трубки (cathode ray tubes, CRT) и т.п. Имеется пользовательский интерфейс 822 ввода, включающий один или более механизмов пользовательского интерфейса, таких как мышь, клавиатура, микрофон, сенсорный переключатель, сенсорный экран, система распознавания голоса и т.п.
Сервер 801 может быть связан по сети с другими вычислительными устройствами, такими как компоненты газовой турбины. Сервер может являться частью более крупной сетевой конфигурации, такой как глобальная сеть (global area network, GAN), например, Интернет 828, которая обеспечивает оконечное соединение с различными клиентскими/наблюдающими устройствами наземной линии связи и/или мобильной связи.
Такая структура контроллера 800 может быть сконфигурирована для выполнения одного или более следующих шагов: изучение поведения газовой турбины путем выбора второй настроечной кривой и повторения описанных выше шагов для упомянутой второй настроечной кривой; сохранение суточных рабочих параметров газовой турбины; формирование резервной копии настроечных параметров на основе упомянутых сохраненных суточных рабочих параметров и текущих рабочих параметров; проверка расстояния между критическими условиями газовой турбины и упомянутой резервной копией настроечных параметров; прием предупреждений, связанных с динамикой сгорания и выбросами газовой турбины, и формирование резервной копии настроечных параметров на основе сохраненных суточных рабочих параметров, текущих рабочих параметров и выбросов газовой турбины.
Также специалистам понятно, что примеры осуществления настоящего изобретения могут быть реализованы в устройстве беспроводной связи и в сети связи в виде способа или компьютерного программного продукта. Соответственно, примеры осуществления настоящего изобретения могут быть выполнены в виде полностью аппаратных вариантов осуществления изобретения или вариантов осуществления изобретения, сочетающих аппаратные и программные аспекты. Кроме того, примеры осуществления настоящего изобретения могут быть выполнены в виде компьютерного программного продукта, включающего машиночитаемые инструкции, хранимые на машиночитаемом носителе. Может применяться любой подходящий машиночитаемый носитель, включая жесткие диски, CD-ROM, универсальные цифровые диски (digital versatile disc, DVD), оптические устройства хранения или магнитные устройства хранения, например, гибкий диск или магнитную ленту. Другие, не ограничивающие изобретение, примеры машиночитаемого носителя включают флэш-память или другие известные типы памяти.
В описанных примерах осуществления настоящего изобретения предлагаются контроллер, способ и компьютерное программное обеспечение для автонастройки газовой турбины. Следует понимать, что настоящее описание не предназначено для ограничения изобретения. Напротив, примеры осуществления настоящего изобретения охватывают альтернативы, модификации и эквиваленты в пределах объема настоящего изобретения, определяемого приложенной 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.
В данном описании использованы примеры настоящего изобретения для обеспечения возможности специалисту реализовать на практике изобретение, включая создание и использование любых устройств или систем и выполнение любых соответствующих способов. Объем правовой охраны изобретения определяется формулой изобретения и охватывает другие примеры, понятные специалистам. Упомянутые другие примеры находятся в пределах сущности формулы изобретения.