СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ РАБОТЫ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ НА ОСНОВЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ВЫХЛОПНОГО ГАЗА И ГАЗОВАЯ ТУРБИНА Российский патент 2015 года по МПК F02C9/00 F02C9/20 

Область техники

[0001] Варианты осуществления настоящего изобретения в общем относятся к способам и системам и, в частности, к устройствам и способам управления газовой турбиной.

Уровень техники

[0002] Турбомашины, используемые, например, на электростанциях или в реактивных двигателях, постоянно развиваются на основе новых открытий и улучшенных материалов. Кроме того, производители таких машин находятся под давлением возрастающих требований, касающихся производства более экологически чистых машин, то есть требований снижения объема загрязнения окружающей среды в процессе эксплуатации машин.

[0003] Соответственно, ведутся исследования по уменьшению выбросов выхлопного газа из турбомашин с учетом желания использовать широкий ассортимент газового топлива. Выполнение этих требований становится все более трудной задачей, особенно принимая во внимание широкий диапазон эксплуатации таких устройств. В этих условиях точное управление температурой выхлопного газа турбомашины становится важным фактором для разработки успешных применений.

[0004] Один из подходов по снижению загрязнения, создаваемого турбомашиной, базируется на принципе зависимости температуры выхлопного газа от коэффициента давления в компрессоре. В заявке на патент США 2008/0243352, содержание которой в полном объеме включено в настоящую заявку путем ссылки, описано, что известные системы управления могут выполнять алгоритмы планирования, которые управляют скоростью потока топлива, входным направляющим аппаратом (inlet guide vanes, IGV) и другими входными сигналами управления для обеспечения безопасной и эффективной работы газовой турбины. Системы управления газовой турбиной могут получать на входе эксплуатационные параметры и установочные параметры, которые в сочетании с алгоритмами планирования определяют настроечные параметры управления турбиной для достижения заданного функционирования. Измеряемые эксплуатационные параметры могут включать давление и температуру на входе в компрессор, давление и температуру на выходе компрессора, температуру выхлопного газа турбины и выходную мощность генератора. Требуемые эксплуатационные установочные параметры могут включать выходную мощность генератора и энергию выхлопного газа. Графики (например, температуры выхлопного газа от коэффициента давления в компрессоре, распределения топлива от эталонной температуры горения, теплоты, отобранной на вход (inlet bleed heat, IBH) от IGV, предельной границы работы компрессора от скорректированной скорости вращения и входного направляющего аппарата и т.д.) задаются для предохранения турбины от выхода за пределы известных эксплуатационных границ (например, по выбросам, динамике, разрыву из-за давления, помпажу компрессора, обледенению компрессора, зазорам компрессора, по аэромеханическим параметрам и т.п.) на основе автономных полевых испытаний или лабораторных данных. Затем по выходным данным графиков определяют соответствующие корректировки входных данных системы управления. Типичные входные данные управления, обрабатываемые системой управления, могут включать скорость потока топлива, распределение топлива в камере сгорания (которое может в дальнейшем называться «распределением топлива»), положение входного направляющего аппарата и теплоту, отобранную на вход.

[0005] На фиг.1, которая аналогична фиг.1 заявки на патент США 2008/0243352, приведен пример газовой турбины 10, содержащей компрессор 12, камеру 14 сгорания, турбину 16, соединенную с компрессором 12, и компьютерную систему (контроллер) 18 управления. Впускной канал 20 к компрессору 12 может обеспечить подачу воздуха из окружающей среды в компрессор 12. Впускной канал 20 может содержать каналы, фильтры, экраны и устройства уменьшения шума, которые обеспечивают снижение давления окружающего воздуха, поступающего через впускной канал 20 во входной направляющий аппарат 21 компрессора 12. Выхлопной канал 22 для турбины направляет газообразные продукты горения с выхода турбины 10 с помощью, например, устройств управления выбросами и уменьшения шума. Величина потери входного давления и противодавления может изменяться во времени из-за добавления элементов, а также из-за засорения пылью и грязью впускного канала 20 и выхлопного канала 22. Турбина 10 может приводить в движение генератор 24, который вырабатывает электроэнергию.

[0006] Как описано в заявке на патент США 2008/0243352, работа газовой турбины 10 может контролироваться несколькими датчиками 26, выполненными с возможностью измерения различных характеристик турбины 10, генератора и окружающей среды, влияющих на эффективность эксплуатации. Например, группы дополнительных датчиков 26 температуры могут контролировать температуру окружающей среды вокруг газовой турбины 10, температуру на выходе компрессора, температуру выхлопного газа турбины и производить другие измерения температуры потока газа через газовую турбину 10. Аналогичным образом, группы дополнительных датчиков 26 давления могут контролировать давление окружающей среды, а также уровни статического и динамического давления на входе в компрессор и на выходе выхлопного газа из турбины, в других местоположениях в потоке газа через газовую турбину 10. Группы дополнительных датчиков 26 влажности, например психрометров, могут измерять влажность окружающей среды во впускном канале компрессора 12. Группы дополнительных датчиков 26 могут также включать датчики скорости потока, датчики скорости, датчики обнаружения возгорания, датчики положения клапана, датчики угла направляющих лопаток или подобные датчики, которые измеряют различные параметры, имеющие отношение к работе газовой турбины 10. В настоящем описании термин «параметры» относится к наименованиям, которые могут использоваться для задания условий эксплуатации турбины, таких как, не ограничиваясь этим, температура, давление и скорость потока газа в определенных местоположениях в турбине.

[0007] Описанная в заявке на патент США 2008/0243352 А система 28 управления топливом управляет подачей топлива от топливоподачи в камеру 14 сгорания, одним или более распределений топлива, протекающего в первичные и вторичные топливные форсунки, а также количеством топлива, смешанного с вторичным воздухом, поступающим в камеру сгорания. Система 28 управления топливом может также выбирать вид топлива для камеры сгорания. Система 28 управления топливом может быть отдельным блоком или может быть компонентом главного контроллера 18. Контроллер 18 может быть компьютерной системой, содержащей по меньшей мере один процессор, который выполняет программы и операции для управления работой газовой турбины с использованием входных данных от датчиков и команд человека-оператора. Программы и операции, исполняемые контроллером 18, могут включать, помимо прочего, измерение или моделирование эксплуатационных параметров, моделирование эксплуатационных границ, применение эксплуатационных граничных моделей, применение алгоритмов планирования и применение логики граничного управления для замыкания контура на границах. Команды, сформированные контроллером 18, могут побуждать приводы на газовой турбине, например управлять клапанами (привод 27) между топливоподачей и камерами сгорания, которые регулируют поток, распределение топлива и вид топлива, поступающего в камеры сгорания, управлять входным направляющим аппаратом (приводом 29) на компрессоре, регулировать тепло, отбираемое на вход, а также активировать другие управляющие установки на газовой турбине.

[0008] В заявках на патент США №2002/0106001 и №2004/0076218, содержание которых включено в настоящую заявку путем ссылки, описаны способ и система настройки алгоритмов управления турбиной для выполнения точного расчета температуры горения и эталонной температуры горения в газовой турбине, поскольку содержание водяных паров в рабочей текучей среде существенно отличается от значения, рассчитанного при проектировании. Указанные заявки раскрывают использование температуры выхлопного газа турбины и давления в турбине для регулирования температуры горения.

[0009] Однако известные способы и системы имеют ограниченные возможности управления газовой турбиной, и, соответственно, было бы желательно создать системы и способы, которые обеспечивают более точное управление температурой горения и/или более точное управление параметрами горения, и/или более точное управление выбросом выхлопного газа.

Сущность изобретения

[0010] В соответствии с примером осуществления изобретения предлагается способ управления рабочей точкой газовой турбины, содержащей компрессор, камеру сгорания и по меньшей мере турбину. Способ включает определение падения давления выхлопного газа на выходе турбины, измерение давления на выходе компрессора, определение коэффициента давления турбины на основе падения давления выхлопного газа и давления на выходе компрессора, вычисление эталонной кривой температуры выхлопного газа турбины как функции от коэффициента давления турбины, определение, выполнены ли оба условия (1) и (2), при этом условием (1) является IGV_min+ΔIGV₁≤IGV_{set point}≤IGV_max+ΔIGV₂, a условием (2) является ttx≥ttxh+Δttx₃, где IGV_{set point} - целевой угол входного направляющего аппарата (IGV), установленного на входе в компрессор, IGV_min - минимальное значение IGV, IGV_max - максимальное значение IGV, ΔIGV₁ - первое заранее заданное увеличение положительного угла IGV для перехода из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием, ΔIGV₂ - второе заранее заданное увеличение положительного угла IGV для перехода из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием, ttx - текущая температура выхлопного газа, ttxh - эталонная кривая температуры выхлопного газа, Δttx₃ - заранее заданная отрицательная температура, характеризующая мертвую зону температуры выхлопного газа для перехода из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием, и изменение, если выполнены оба условия (1) и (2), параметра распределения топлива с первого значения на второе значение или, в противном случае, сохранение первого значения, причем первое значение характеризует режим горения в первичной и вторичной зонах с устойчивым состоянием, а второе значение характеризует режим горения во вторичной зоне с предварительным смешиванием режима с

предварительным смешиванием.

[0011] В соответствии с другим примером осуществления изобретения предлагается контроллер для управления рабочей точкой газовой турбины, содержащей компрессор, камеру сгорания и по меньшей мере турбину. Контроллер содержит датчик давления, выполненный с возможностью измерения давления на выходе компрессора, и процессор, соединенный с датчиком давления. Процессор выполнен с возможностью определения падения давления выхлопного газа на выходе турбины, определения коэффициента давления турбины на основе падения давления выхлопного газа и давления на выходе компрессора, вычисления эталонной кривой температуры выхлопного газа турбины как функции от коэффициента давления турбины, определения, выполнены ли оба условия (1) и (2), при этом условием (1) является IGV_min+ΔIGV₁≤IGV_{set point}≤IGV_max+ΔIGV₂, a условием (2) является ttx≥ttxh+Δttx₃, где IGV_{set point} - целевой угол входного направляющего аппарата (IGV), установленного на входе в компрессор, IGV_min - минимальное значение IGV, IGV_max - максимальное значение IGV, ΔIGV₁ - первое заранее заданное увеличение угла IGV для перехода из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием, ΔIGV₂ - второе заранее заданное увеличение отрицательного угла IGV для перехода из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием, ttx - текущая температура выхлопного газа, ttxh - эталонная кривая температуры выхлопного газа, Δttx₃ - заранее заданная отрицательная температура, характеризующая зону температуры выхлопного газа для перехода из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием, в течение которого не предпринимается никаких действий, и изменения, если оба условия (1) и (2) выполнены, параметра распределения топлива с первого значения на второе значение или, в противном случае, сохранения первого значения, причем первое значение характеризует режим горения в первичной и вторичной зонах с устойчивым состоянием, а второе значение характеризует режим горения во вторичной зоне с предварительным смешиванием режима с предварительным смешиванием.

[0012] В соответствии с еще одним примером осуществления изобретения предлагается машиночитаемый носитель, содержащий исполняемые компьютером команды, которые при их исполнении реализуют способ управления рабочей точкой газовой турбины, содержащей компрессор, камеру сгорания и по меньшей мере турбину. Способ включает определение падения давления выхлопного газа на выходе турбины, измерение давления на выходе компрессора, определение коэффициента давления турбины на основе падения давления выхлопного газа и давления на выходе компрессора, вычисление эталонной кривой температуры выхлопного газа турбины как функции от коэффициента давления турбины, определение, выполнены ли оба условия (1) и (2), при этом условием (1) является IGV_min+ΔIGV1≤IGV_{set point}≤IGV_max+ΔIGV₂, а условием (2) является ttx≥ttxh+Δttx₃, где IGV_{set point} - целевой угол входного направляющего аппарата (IGV), установленного на входе в компрессор, IGV_min - минимальное значение IGV, IGV_max - максимальное значение IGV, ΔIGV₁ - первое заранее заданное увеличение положительного угла IGV для перехода из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием, ΔIGV₂ - второе заранее заданное увеличение отрицательного угла IGV для перехода из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием, ttx - текущая температура выхлопного газа, ttxh - эталонная кривая температуры выхлопного газа, Δttx₃ - заранее заданная отрицательная температура, характеризующая зону температуры выхлопного газа для перехода из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием, в течение которого не предпринимается никаких действий, и изменение, если выполнены оба условия (1) и (2), параметра распределения топлива с первого значения на второе значение или, в противном случае, сохранение первого значения, причем первое значение характеризует режим горения в первичной и вторичной зонах с устойчивым состоянием, а второе значение характеризует режим горения во вторичной зоне с предварительным смешиванием режима с предварительным смешиванием.

Краткое описание чертежей

[0013] Прилагаемые чертежи, которые составляют часть настоящего описания, иллюстрируют один или более вариантов осуществления изобретения и вместе с описанием служат для объяснения данных вариантов.

[0014] На фиг.1 приведена структурная схема известной газовой турбины.

[0015] На фиг.2 приведена структурная схема газовой турбины, представленной в варианте осуществления настоящего изобретения.

[0016] На фиг.3 приведен график, иллюстрирующий изменение температуры выхлопного газа в зависимости от коэффициента давления турбины в соответствии с примером осуществления изобретения.

[0017] На фиг.4 приведено схематическое изображение зависимости между рабочими точками и оптимальными рабочими точками для газовой турбины в соответствии с примером осуществления изобретения.

[0018] На фиг.5 приведена схематическая диаграмма плоскости зависимости температуры выхлопного газа от коэффициента давления турбины в соответствии с примером осуществления изобретения.

[0019] На фиг.6 приведено схематическое изображение эталонной кривой температуры выхлопного газа в плоскости на фиг.5 в соответствии с примером осуществления изобретения.

[0020] На фиг.7 приведена блок-схема, иллюстрирующая шаги вычисления контрольной точки температуры выхлопного газа турбины в соответствии с примером осуществления изобретения.

[0021] На фиг.8-10 схематически проиллюстрированы различные режимы работы газовой турбины в соответствии с примерами осуществления изобретения.

[0022] На фиг.11 приведена блок-схема, иллюстрирующая шаги вычисления пороговой кривой перехода из режима горения в первичной зоне в режим горения в первичной и вторичной зонах в соответствии с примером осуществления изобретения.

[0023] На фиг.12 представлен график зависимости распределения топлива от времени для перехода из режима горения в первичной зоне в режим горения в первичной и вторичной зонах в соответствии с примером осуществления изобретения.

[0024] На фиг.13 представлен график, иллюстрирующий траекторию рабочей точки турбины в плоскости, заданной зависимостью температуры выхлопного газа от коэффициента давления турбины, в соответствии с примером осуществления изобретения.

[0025] На фиг.14 представлена блок-схема, иллюстрирующая шаги способа вычисления перехода из режима горения в первичной зоне в режим горения в первичной и вторичной зонах в соответствии с примером осуществления изобретения.

[0026] На фиг.15 представлен график, иллюстрирующий зону температуры выхлопного газа для перехода из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием в соответствии с примером осуществления изобретения.

[0027] На фиг.16 приведен график зависимости распределения топлива от времени для перехода из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием в соответствии с примером осуществления изобретения.

[0028] На фиг.17 приведен график, иллюстрирующий изменение рабочей точки турбины при переходе из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием в соответствии с примером осуществления изобретения.

[0029] На фиг.18 приведен график, иллюстрирующий изменение рабочей точки турбины при переходе из режима с предварительным смешиванием в режим горения в первичной и вторичной зонах в соответствии с примером осуществления изобретения.

[0030] На фиг.19 приведен график зависимости распределения топлива от времени для перехода из режима с предварительным смешиванием в режим горения в первичной и вторичной зонах в соответствии с примером осуществления изобретения.

[0031] На фиг.20 приведена блок-схема, иллюстрирующая шаги способа вычисления перехода из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием в соответствии с примером осуществления изобретения.

[0032] На фиг.21 приведена структурная схема контроллера, используемого для управления турбиной.

Подробное описание изобретения

[0033] В последующем описании примеров осуществления изобретения сделаны ссылки на приложенные чертежи. Одинаковые цифровые обозначения на разных чертежах обозначают одни и те же или аналогичные элементы. Последующее подробное описание не ограничивает изобретение. Объем изобретения определяется формулой изобретения. Последующие варианты осуществления изобретения для простоты обсуждаются с точки зрения терминологии и структуры газотурбинной системы с одним валом. Однако варианты осуществления изобретения не ограничиваются данными системами и могут быть применены к другим системам, например газовым турбинам с множеством валов.

[0034] 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.

[0035] Как было указано выше в связи с фиг.1, различные параметры турбины 10 могут быть измерены и/или вычислены для определения необходимой величины, подлежащей контролю. Такой величиной является температура горения в турбине. Работа турбины считается надежной и контролируемой, если температура горения в турбине поддерживается в оптимальном диапазоне. При выходе температуры горения в турбине за пределы оптимального диапазона контроллер 18 позволяет изменять, например, скорость воздушного потока компрессора и, следовательно, коэффициент давления в компрессоре для регулирования температуры горения. Событиями, которые могут вызвать выход температуры горения за пределы оптимального диапазона, являются, например, изменение нагрузки газовой турбины или изменение состава газового топлива.

[0036] Однако предлагаемые варианты осуществления изобретения базируются не на традиционном подходе для управления газовой турбиной, а на новом подходе, например заключающемся в управлении температурой выхлопного газа турбины на основе коэффициента давления турбины. Этот новый подход обеспечивает более точную оценку состояния газовой турбины, которая также является более чувствительной к изменениям в работе газовой турбины, например при изменении нагрузки.

Определение температуры выхлопного газа как функции от коэффициента давления турбины

[0037] В соответствии с примером осуществления изобретения температура выхлопного газа определяется как функция от коэффициента давления турбины, и данная температура контролируется и поддерживается в определенных границах для обеспечения эффективной работы газовой турбины, например, при согласовании с базовой нагрузкой, низкой нагрузкой, высокой нагрузкой и т.п. Подробнее об определении температуры выхлопного газа и коэффициента давления турбины говорится ниже со ссылкой на фиг.2. На фиг.2 показана газовая турбина 30, имеющая компрессор 32, выполненный с возможностью приема текучей среды (например, воздуха) через впускной канал 36. На впускном канале 36 могут быть расположены датчики 34 для измерения по меньшей мере одного из следующего: давление, температура, влажность и т.д.

[0038] Текучая среда сжимается компрессором 32, и сжатая текучая среда поступает в камеру сгорания 40 по каналу 42 для смешивания с топливом (например, природным газом), поступающим по питающему каналу 44. Дополнительные датчики 34 могут быть размещены в камере 40 сгорания или вокруг нее для измерения характеристик сжатой текучей среды и/или топлива. В камере 40 сгорания происходит горение, при котором повышается температура смеси сжатой текучей среды и топлива до температуры горения. Топливо подается по питающему каналу 44 в первичные и вторичные горелки, как описано ниже. Клапаны 45а и 45b используются для подачи топлива в первичные и вторичные горелки. Блок 70 управления также выполнен с возможностью управления клапанами 45а и 45b для обеспечения необходимого процентного содержания топлива в первичные и вторичные клапаны. Поток газообразных продуктов горения, имеющих высокую энергию, поступает по каналам 52 в турбину 50, которая может быть механически соединена с помощью вала 56 с генератором 54. Генератор 54 может вырабатывать электроэнергию. Турбина 50 также механически соединена через вал 58 с компрессором 30, обеспечивая необходимой движущей силой компрессор 30. Отработанные газы выводятся из турбины 50 через выходной канал 60. Как входной канал 52, так и выходной канал 60 могут контролироваться датчиками 34.

[0039] Данные от датчиков 34 поступают в блок 70 управления. Блок 70 управления может получать дополнительные данные через входной порт 72. На основе процессов, вычисленных блоком 70 управления, различные команды подаются через выходной порт 74 в различные части газовой турбины 30, например команды для поворота лопаток, для изменения скорости вращения вала и т.д. Подробная структура устройства 70 управления описывается ниже.

[0040] В соответствии с примером осуществления изобретения предлагается способ управления газовой турбиной на основе зависимости температуры выхлопного газа турбины (ttx), которая измеряется/определяется на выходе 60, от коэффициента давления турбины (tpr), который измеряется/определяется как отношение давления на выходе компрессора 32 к давлению выхлопного газа турбины 50. В соответствии с фиг.2, давление на выходе компрессора 32 измеряется в точке 80, а давление выхлопного газа турбины 50 измеряется в точке 60. Однако в соответствии с примером осуществления изобретения давление выхлопного газа может измеряться/оцениваться внутри камеры 40 сгорания, на входе в турбину 50 или внутри турбины 50. Эти давления подробно рассматриваются ниже. Следует отметить, что подробности, которые обсуждаются ниже, для определения ttx, используются только для иллюстрации, а не для ограничения изобретения.

[0041] На фиг.3 изображена плоскость (ttx, tpr). Каждая точка на этой плоскости может рассматриваться как принадлежащая множеству А, показанному на фиг.4. Множество А задано таким образом, что оно содержит рабочие точки для газовой турбины 30 на основе модели горения. Множество А содержит подмножество В точек. Эти точки описаны ниже и определяются как оптимальные рабочие точки для газовой турбины 30.

[0042] Точки на плоскости (ttx, tpr), то есть точки из множества А, которые соответствуют условиям постоянной температуры горения, постоянной скорости вращения, постоянному углу IGV, постоянной удельной влажности воздуха и постоянному отбору воздуха, могут быть представлены кривой 90, которая может иметь вогнутую сверху форму. Коэффициент tpr давления турбины может меняться в зависимости от температуры на входе в компрессор. Ошибка, возникающая при аппроксимации кривой 90 параболой с прямой касательной линией 92 при tpr=tpr₀, мала, и ею можно пренебречь для значений tpr, близких к tpr₀. Специалисту очевидно, что могут использоваться и другие аппроксимирующие функции.

[0043] При постепенном изменении температуры на входе в компрессор, скорости компрессора и угла IGV кривая 90 изменяется постепенно, например при сохранении непрерывности ее первой производной. Следовательно, геометрическое место точек постоянной температуры горения, которое может быть вычислено на основе ttx, может быть аппроксимировано с помощью линейной интерполяции касательной прямой 92.

[0044] На основе точек из упомянутого множества В функция f, которая будет обсуждаться ниже, применяется для определения точек, принадлежащих множеству С. Точки из множества С являются контрольными точками для работы газовой турбины в соответствии с управляющей логикой. Другими словами, точки, принадлежащие множеству С, вычисляются, как обсуждается ниже, и оператор газовой турбины 30 регулирует некоторые параметры для удержания газовой турбины в пределах множества С. Фиг.4 иллюстрирует данную концепцию.

[0045] В соответствии с примером осуществления изобретения функция f может быть определена как f=g·h·l, где g, h и l являются математическими функциями или операторами. Например, g может быть линейной интерполяцией подходящей топливной характеристики, h может быть билинейной интерполяцией углов IGV и скорости вращения газовой турбины, а 1 может быть политропической коррекцией, заданной выражением p·T^((1-γ)/γ)=constant. Если задана область В, то область значений С полностью определена через функцию f. Локальные возмущения в области В производят локальные возмущения в области С. В зависимости от применения для задания функции f могут использоваться больше или меньше функций или другие функции. Другими словами, вместо упомянутых функций g, h и l могут использоваться другие функции или другое количество функций.

[0046] Теперь обсудим определение множества температур их, которые желательно поддерживать для эффективной работы газовой турбины 30. Предположим, что газовая турбина может работать в следующих диапазонах: для температуры окружающей среды tamb в диапазоне tamb_i-1≤tamb≤tamb_i, для IGV-угла igv в диапазоне igv_j-1≤igv≤igv_j и для скорости вращения газовой турбины в диапазоне tnh_k-1≤tnh≤tnh_k. Также предположим, что газовая турбина управляется при оптимальной температуре горения. Исходя из вышеуказанных диапазонов, рабочие точки для газовой турбины могут быть представлены в пространстве (ttx, tpr), как показано на фиг.5, кривыми, заданными следующими точками. Имеются четыре точки А1-А4 для бедного топлива и самой низкой температуры окружающей среды, имеются четыре точки В1-В4 для бедного топлива и самой высокой температуры окружающей среды, имеются четыре точки С1-С4 для богатого топлива и самой низкой температуры окружающей среды и имеются четыре точки D1-D4 для богатого топлива и самой высокой температуры окружающей среды. Число точек может меняться в зависимости от характера интерполирующей функции.

[0047] Бедное топливо и богатое топливо определяются следующим образом. Газовые турбины для промышленных применений используют природный газ, который содержит CH₄ более 90%. Природный газ считается богатым газовым топливом. При смешивании природного газа с инертными газами, например азотом, углекислым газом и аргоном, получаются более бедные газовые топлива, то есть с более низким значением LHV (LHV - низшая теплота сгорания (low heating value) газа, представляющая собой количество энергии, которое может быть получено из единицы массы газа при его сгорании). Богатое топливо может быть получено при смешивании природного газа с более тяжелыми углеводородами, такими как этан, пропан и/или бутан.

[0048] Для каждого из вышеописанных множеств точек центральная точка (А5, В5, С5 и D5) определяется с помощью двух билинейных интерполяций (упомянутой функции g). Билинейная интерполяция является расширением линейной интерполяции для интерполирующих функций от двух переменных на регулярной сетке. При билинейной интерполяции выполняется линейная интерполяция сначала в одном направлении, а затем в другом направлении. Точки А5 и В5 задают кривую 100 регулирования температуры для бедного газа, а точки С5 и D5 задают кривую 102 регулирования температуры для богатого газа. Как было указано выше, может использоваться другая функция, отличная от билинейной интерполяции.

[0049] Точка ttx_{set point} определяется с помощью линейной интерполяции (упомянутой функции h или, в другом применении, других функций) двух ординат, соответствующих фактическим коэффициентам давления на двух кривых 100 и 102 регулирования, основанных на значениях LHV_{actual gas}, LHV_{rich gas} и LHV_{lean gas}.

[0050] Если вычисляется большее число точек для других условий и/или значений рассматриваемых параметров, то может определяться больше точек ttx_{set point}. Нанося эти точки в зависимости от коэффициента tpr давления, получают эталонную кривую 104 температуры выхлопного газа, показанную на фиг.6. Следует отметить, что эталонная кривая 104 температуры выхлопного газа лежит между двумя кривыми 100 и 102 регулирования. В соответствии с примером осуществления изобретения (не показан) кривая 104 параллельна кривым 100 и 102.

[0051] Шаги вычисления точки ttx_{set point} могут быть представлены на блок-схеме, показанной на фиг.7. В соответствии с фиг.7, блок 110 селектора данных получает в качестве входных данных температуру окружающей среды tamb, угол поворота лопаток IGV, скорость tnh вращения вала и матричные данные для богатого газа. Пример матричных данных для богатого газа:

ttxr

ttxr_i,j,k tamb_i   igv₁ igv₂ … igv₅ igv₆ tnh₁ ttxr_i,1,1 ttxr_i,2,1 … ttxr_i,5,1 ttxr_i,6,1 tnh₂ ttxr_i,1,2         tnh₃ ttxr_i,1,3 … …   … tnh₄ ttxr_i,1,4 … … … ttxr_i,6,4

Матрица коэффициентов давления турбины для богатого газа задается в виде:

tprr

tprr_i,j,k tamb_i   igv₁ igv₂ igv₃ igv₅ igv₆ tnh₁ tprr_i,1,1 tprr_i,2,1 tprr_i,3,1 tprr_i,5,1 tprr_i,6,1 tnh₂ tprr_i,1,2 … … … … tnh₃ tprr_i,1,3 … … …   tnh₄ tprr_i,1,4 … … … tprr_i,6,4

[0052] Восемь точек C1-C4 и D1-D4 (показаны на фиг.5) являются выходом блока 110 селектора данных. Эти выходные данные подаются на вход блока 112 интерполятора. Тот же процесс повторяется блоком 114 селектора данных для тех же параметров, за исключением того, что вместо матричных данных для богатого газа используется матричные данные для бедного газа. Выходные данные интерполяторов 112 и 116, то есть зависимость ttx от tpr в виде фактической кривой регулирования для богатого газа и зависимость ttx от tpr в виде фактической кривой регулирования для бедного газа, подаются на вход блока 118 вычислений для вычисления двух контрольных точек ttx. Линейный интерполятор 120 получает две контрольные точки ttx и интерполирует их для получения конечной точки ttx_{set point}. На основе выходных данных линейного интерполятора 120, блок 122 горения может вычислять изменение ttx_{set point} газовой турбины. Следует отметить, что линейный интерполятор 120 и блок 122 горения могут получать непосредственно информацию о значении LHV топливного газа.

[0053] Имея ttx_{set point}, контроллер 70 может быть запрограммирован для контроля этого значения и для регулирования различных параметров газовой турбины 30 (например, угла IGV, количества топлива и т.д.) для удержания ttx_{set point} в заранее заданном диапазоне для обеспечения эффективной работы газовой турбины. В одном примере осуществления изобретения, в котором используется газовая турбина с одним валом, ttx_{set point} может корректироваться путем регулирования угла IGV. Теперь рассчитывается эталонная кривая ttxh 104 температуры выхлопного газа, которой должна следовать газовая турбина.

[0054] Рассмотрим три вектора, которые определяют эксплуатационные параметры газовой турбины. Этими векторами являются tamb, igv и tnh, которые соответствуют температуре окружающей среды, углу IGV и скорости вращения вала. Математические выражения для этих трех векторов следующие:

tamb=[tamb_i]=[tamb₁, tamb₂,…, tamb₇]

с индексом i, равным

2, если tamb<tamb₂,

3, если tamb₂≤tamb<tamb₃,

4, если tamb₃≤tamb<tamb₄,

5, если tamb₄≤tamb<tamb₅,

6, если tamb₅≤tamb<tamb₆,

7, если tamb₆≤tamb,

где tamb является фактической температурой окружающей среды.

[0055] Вектор угла igv определяется следующим образом:

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

2, если igv<igv₂,

3, если igv₂≤igv<igv₃,

4. если igv₃≤igv<igv₄,

5, если igv₄≤igv<igv₅,

6, если igv₅≤igv,

где igv является фактическим углом igv.

[0056] Вектор скорости вращения вала tnh определяется следующим

образом:

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

2, если tnh<tnh₂,

3, если tnh₂≤tnh<tnh₃,

4, если tnh₃≤tnh,

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

[0057] Четыре трехмерные матрицы вводятся для расчета эталонной кривой ttxh температуры выхлопного газа, то есть эталонной кривой, используемой оператором для управления газовой турбиной. В соответствии с одним из примеров осуществления изобретения кривую ttxh можно рассматривать как геометрическое место точек, в которых турбина работает при оптимальных значениях ttx и tpr. Четыре матрицы представляют матрицу ttxl температуры выхлопного газа для бедного топлива, матрицу tprl коэффициентов давления для бедного топлива, матрицу ttxr температуры выхлопного газа для богатого топлива и матрицу tprr коэффициентов давления для богатого топлива. Элементы этих матриц приведены ниже:

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

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

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

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

[0058] Предполагая, что фактические условия эксплуатации tamb, igv и tnh находятся в пределах диапазонов tamb_i-1≤tamb<tamb_i, igv_j-1≤igv<igv_j и tnh_k-1≤tnh<tnh_k, фактическая эталонная кривая ttxh имеет вид

ttxh=ttxha+Δttxh,

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

[0059] Эталонная кривая ttxha определяется как

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

где параметры, задающие ttxha, определяются следующим образом:

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

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

LHV - низшая теплота сгорания фактического топлива,

LHVI - низшая теплота сгорания бедного топлива,

LHVr - низшая теплота сгорания богатого топлива.

Применяются следующие билинейные интерполяции:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

[0060] Поправка Δttxh имеет вид

Δttxh=ttxh·((pamb_actual+Δp_{exhaust ref})/(pamb_actual+Δp_exhaust))^{(γ/(1-γ)-1)}+

((pamb_actual-Δp_{inlet ref})/(pamb_actual-Δp_inlet))^{(γ/(1-γ)-1)},

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

[0061] Поправка Δttxh учитывает, среди прочего, фактическое падение давления выхлопного газа газовой турбины и фактическое падение давления на входе. Поскольку кривая регулирования температуры газовой турбины (например, ttxh) зависит от эталонного падения Δp_{exhaust ref} давления выхлопного газа и эталонного падения Δp_{inlet ref} давления на входе, имеется возможность корректировать эти кривые для различных падений давления выхлопного газа и давления на входе, используя, например, функцию Δttxh.

[0062] Значение фактического падения Δp_{inlet act} давления на входе может измеряться вместо того, чтобы оцениваться в зависимости от величины загрязнения на входе в компрессор. Другими словами, падение давления во входной системе компрессора зависит от условий газового потока и загрязненности входного фильтра, и периодическое осаждение и удаление загрязнения может вызвать непредсказуемую изменчивость падения входного давления во времени. В одном применении, если LHV-сигнал недоступен, например из-за неисправности калориметра или проблем с калибровкой, контроллер 70 может быть выполнен с возможностью использования значения LHV_default вместо фактического значения LHV.

[0063] Вышеуказанные билинейные интерполяции, линейная интерполяция и политропическое расширение, примененные, как показано выше, в отношении параметров газовой турбины, например углов IGV и скорости вращения вала в различных точках i, j и k разрешенных диапазонов, формируют ttx_{set point} на эталонной кривой ttxh. В одном примере осуществления изобретения множество ttx_{set point} вычисляется для газовой турбины в различных условиях, и все эти точки ttx_{set point} являются частью кривой ttxh. Другие эталонные кривые могут быть определены из ttxh, как будет описано ниже. Эти дополнительные эталонные кривые также могут использоваться для управления работой газовой турбины.

[0064] В соответствии с примером осуществления изобретения для управления газовой турбиной можно использовать эталонную зависимость температуры выхлопного газа от коэффициента давления компрессора TTRX. Кривая TTRX может быть определена как TTRX=Min(lsotherm_NO, ttxh), где Isotherm_NO определяется как изотерма газовой турбины в нормальных условиях эксплуатации. В одном применении Isotherm_NO представляет собой максимальную температуру, которой может быть подвергнут ротор турбины. Кривая регулирования для зависимости температуры выхлопного газа от IGV может быть определена как TTRXGV=TTRX. Кривая регулирования для температуры выхлопного газа от топлива может быть определена как TTRXB=TTRXB_NO, если режим пиковой нагрузки отключен, и как TTRXB=TTRXB_PK, если режим пиковой нагрузки включен. Режим пиковой нагрузки определяется как работа газовой турбины в постоянных условиях эксплуатации (температура окружающей среды, давление, скорость вращения вала, положение IGV и состав топливного газа) и обеспечивает мощность выше номинальной. Это состояние возникает, когда рабочая температура горения в газовой турбине становится выше номинальной температуры. TTRXB_NO задается как TTRX+Min((IGV_max-IGV_{set point})·Δ1, Δ2), где Δ2 является значением, которое ограничивает значение функции Min, а TTPXB_PK задается как Min(Isotherm_PK, ttxh+ΔРК).

[0065] ΔРК задается выражением

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

LHVI - низшая теплота сгорания бедного топлива,

LHVr - низшая теплота сгорания богатого топлива,

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

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

[0066] Указанное выше управление температурой выхлопного газа посредством IGV и управление температурой выхлопного газа с помощью кривых топлива могут быть использованы для управления газовой турбиной следующим образом. Газовой турбиной можно управлять, изменяя, например, скорость вращения вала турбины, угол IGV (который напрямую регулирует объем воздуха, подаваемого в компрессор), количество топлива, подаваемого в камеру сгорания, соотношение топливо-воздух, подаваемое в камеру сгорания и т.д. В соответствии с примером осуществления изобретения для газовой турбины с одним валом угол IGV используется в первую очередь для управления работой газовой турбины, то есть для удержания ttx_{act point} на кривой ttxh, вычисленной выше (в плоскости зависимости ttx от tpr). Другими словами, когда фактическая точка ttx_{act point} отклоняется от кривой ttxh в силу различных состояний газовой турбины (например, изменения нагрузки), первое управляющее воздействие регулирует угол IGV для подведения ttx_{act point} газовой турбины к ttx_{set point}. Однако это управляющее воздействие может достичь точки насыщения, то есть точки, для которой угол IGV дальше не может быть изменен или если дальнейшее изменение производить нежелательно. В данной точке можно изменять объем топлива, подаваемого в газовую турбину, до тех пор пока ttx_{act point} не совпадет с ttx_{set point}. Если данное управляющее воздействие достигает насыщения, можно изменить зависимость между текучей средой, предоставляемой компрессором, и топливом, инжектируемым в камеру сгорания, тем самым ограничивая скорость потока топлива и в дальнейшем регулируя ttx_{act point} .

[0067] Чтобы полностью определить кривую ttxh на плоскости зависимости ttx от tpr, ниже обсуждается определение давления tpr в турбине. Давление выхлопного газа газовой турбины гораздо легче оценить, чем измерить. Хотя давления, участвующие в определении давления в турбине tpr, могут быть измерены, предпочтительно рассчитать tpr, поскольку расчетное значение является более точным по сравнению с измеренным значением tpr. В этой связи следует отметить, что в местоположениях 80 и 60 в газовой турбине могут появляться вихри, что делает измеренные значения давления менее точными, так как они могут изменяться в пределах небольшого расстояния. Оценка может быть произведена на основе характеристик падения давления в воздуховоде, данных по выхлопным газам и давления окружающей среды. В соответствии с примером осуществления изобретения коэффициент tpr давления турбины определяется на основе расчетного падения давления выхлопного газа и абсолютного давления на выходе компрессора. В одном варианте осуществления изобретения падение давления выхлопного газа определяется в точке 60 (см. фиг.2), в то время как абсолютное давление на выходе компрессора определяется в точке 80 (см. фиг.2). В другом варианте для компрессора, имеющего несколько ступеней, абсолютное давление на выходе компрессора определяется после выходного диффузора, который расположен по потоку после последней ступени. В соответствии с данным примером осуществления изобретения производится измерение абсолютного давления на выходе компрессора.

[0068] В соответствии с примером осуществления изобретения падение давления выхлопного газа складывается из двух составляющих: падения давления, обусловленного протеканием массы в воздуховоде турбины 50, и восстановления давления вследствие образования тяги. Тяга может возникать из-за разницы высот между выходом газовой турбины и выходом воздуховода в атмосферу. Первая составляющая определяется как а_а·ρ_exhaust·v², а вторая составляющая определяется как (ρ_air-ρ_exhaust)·Δh. Значение каждой константы, параметра и переменной, использованных в данных расчетах, приводятся ниже. Таким образом, общее падение давления выхлопного газа, обусловленное протеканием массы в воздуховоде, может быть выражено в виде:

Δp_exhaust=a_a·ρ_exhaust·v²-(ρ_air-ρ_exhaust)·Ah, или

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

a_a·(W_exhaust/a_b)²/ρ_exhaust=a/ρ_exhaust·Wexhaust².

[0069] Чтобы упростить данное выражение, предположим, что плотность ρ газа в воздуховоде не зависит от фактического падения давления выхлопного газа и зависит только от давления на выходе, которое здесь является давлением окружающей среды, поскольку предполагается, что падение давления выхлопного газа составляет только малую долю давления окружающей среды. Таким образом, можно пренебречь ошибкой, вызванной таким упрощением. Плотность ρ_exhaust выхлопного газа может быть выражена следующим образом:

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

Плотность окружающего воздуха может быть выражена следующим образом:

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

где

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

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

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

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

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

v - скорость на выходе внутри воздуховода,

ttx_ref - эталонная температура выхлопного газа,

ttx_act - фактическая температура выхлопного газа,

pamb_ref - эталонное давление окружающей среды,

pamb_act - фактическое давление окружающей среды,

Wexhaust_act - фактическая массовая скорость потока выхлопного газа,

а - константа, характерная для конкретного выхлопного канала.

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

[0070] Массовая скорость потока выхлопного газа может быть оценена следующим образом. Предположим, что массовая скорость потока воздуха компрессора не зависит от коэффициента давления в компрессоре, поскольку ошибкой, вносимой данным предположением, можно пренебречь для оценки падения давления выхлопного газа. Массовая скорость потока воздуха осевого компрессора газовой турбины может быть оценена с помощью следующей передаточной функции:

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

где

f₀=a₀·y³+b₀·у²+c₀·y,

f₁=a₁·y³+b₁·y²+c₁·y,

f₂=a₂·у³+b₁·y²+c₂·y,

f₃=а₃·y³+b₁·y²+c₃·y,

f4=a₄₁·z³+b₄₁·z²+C₄₁·z+d₄₁ если tnh_act/tnh_ref<tnh_threshold,

a₄₂·z³+b₄₂·z²+C₄₂·z+d₄₂ если tnh_act/tnh_ref>tnh_threshold,

x=igv_act/igv_ref,

y=tnh_act/tnh_ref·(tinlet_ref/tinlet_act)^0.5,

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

a_i и a_ij - константы для конкретного применения.

[0071] Поскольку газовая турбина оборудована IBH-системой, в некоторых условиях эксплуатации с частичной нагрузкой часть воздушного потока компрессора рециркулирует и не попадает в выхлопной канал. Более того, поток топливного газа проходит полностью через выхлопной канал. Следовательно, Wexhaust_act=Wairact·(1-IBH_fraction)+Wfuel_act. В данном примере осуществления изобретения предполагалось, что воздух для подшипников компенсирует воздух из охлаждающих вентиляторов.

[0072] Учитывая то, что при управлении газовой турбиной в отношении температуры выхлопного газа массовое отношение топливо-воздух является по существу константой для конкретного состава топливного газа, массовое отношение топливо-воздух может быть рассчитано следующим образом:

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

[0073] IBH_fraction является контрольной точкой, которая формируется панелью управления и контролируется, пока система работоспособна. Затем массовая скорость потока выхлопного газа может быть оценена следующим образом:

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

[0074] Удельная масса влажного воздуха SGha может быть оценена на основе удельной влажности следующим образом:

SGha=ρ_ha/ρ_da,

m_ha=m_da+m_wv,

m_da=m_ha·(1-Sh),

m_wv=m_ha·sh, и

v_ha=m_ha/ρ_ha=m_da/ρ_da+m_wv/ρ_wv.

[0075] Умножая последнее выражение на ρ_ha, можно получить следующее уравнение:

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

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

[0076] Таким образом,

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

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

Разделив это последнее выражение на m_ha

1=(1-sh)·SG_ha+sh·SG_ha/SG_wv, или

SG_wv=SG_ha·((1-sh)·SG_wv+sh).

Наконец,

SG_ha=SG_wv/((1-sh)·SG_wv+sh).

[0077] Если сигнал удельной влажности недоступен, или если отказал передатчик, сигнал удельной влажности может быть заменен кривой зависимости удельной влажности от температуры окружающей среды, полученной интерполяцией данных, представленных в Таблице 1.

Таблица 1 Средняя удельная влажность воздуха в зависимости от температуры окружающей среды tamb tamb₁ tamb₂ … … … tamb₆ tamb₇ sh_i sh₁ sh₂ … … … sh₆ sh₇

В приведенных выше расчетах были использованы следующие обозначения:

pinlet_act - фактическое давление воздуха на входе в компрессор,

pinlet_ref - эталонное давление воздуха на входе в компрессор,

tamb - температура окружающей среды,

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

tinlet_ref - эталонная температура воздуха на входе в компрессор,

tnh_act - фактическая скорость вращения компрессора,

tnh_ref - эталонная скорость вращения компрессора,

igv_act - фактический угол igv,

igv_ref - эталонный угол igv,

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

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

Wexhaust_act - фактическая массовая скорость потока выхлопного газа,

Wfuel_act - массовая скорость потока топлива,

IBH_fraction - часть воздуха, отбираемого на выходе компрессора,

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

LHV_ref - эталонное значение LHV газового топлива,

LHV_act - фактическое значение LHV газового топлива,

sh - удельная влажность воздуха,

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

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

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

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

ha - влажный воздух,

wv - водяной пар,

da - сухой воздух.

[0078] После расчета удельной массы, массовой скорости потока через компрессор и других параметров, как описано выше, можно рассчитать коэффициент давления турбины tpr. Алгоритм расчета tpr можно представить следующим образом:

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

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

- f₀=a₀·y³+b₀·y²+c₀·y,

- f₁=a₁·y³+b₁·y²+c₁·y,

- f₂=a₂·y³+b₁·y²+c₂·y,

- f₃=а₃·y³+b₁·y²+с₃·y,

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

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

- задают Wair_act=SG_ha·pinlet_act/pinlet_ref·(f₃·х³+f₂·х²+f₁·x+f₀)·f₄·Wair_ref·k,

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

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

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

- вычисляют Δp_exhaust=a_a·ρ_exhaust·v²-(ρ_air-ρ_exhaust)·Δh И

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

[0079] Таким образом, кривая ttxh 104 (см. фиг.6) полностью определяется на этом этапе. Если кривые регулирования температуры для газовой турбины были установлены для эталонного падения давления выхлопного газа Δ_{pexhaust ref} и эталонного падения давления на входе Δp_{inlet ref}, можно скорректировать кривые регулирования температуры для другого падения давления выхлопного газа и давления на входе, например фактического, с помощью поправки Δttxh, как было указано выше.

[0080] Теперь обсудим одно или более преимуществ логики регулирования температуры, описанной выше. Поскольку вся описанная выше процедура для управления газовой турбиной базируется на матричных вычислениях, данная процедура является гибкой и обеспечивает легкую настройку по месту эксплуатации. Эта процедура может сместить контролируемую температуру выхлопного газа при нормальной или пиковой нагрузке в зависимости от значения LHV фактического топлива (или другой топливной характеристики, если оговорено иное). На основе этого смещения можно лучше регулировать выбросы загрязняющих веществ, динамику горения и пределы диапазона регулирования для камеры сгорания.

[0081] Когда разрешена работа в пиковом режиме, газовая турбина может находиться при нормальной температуре горения, если мощность базовой нагрузки достаточна, чтобы покрыть требуемую мощность ведомой машины, и газовая турбина может находиться при повышенной температуре горения, если мощность базовой нагрузки не покрывает требуемую мощность ведомой машины. Показатель пикового горения может быть смещен из-за топливных характеристик. На основе этого «интеллектуального» поведения, сохраняющего пиковый режим постоянно включенным, можно настроить газовую турбину таким образом, чтобы она была более чувствительной в случае изменения базовой нагрузки с модифицированным числом Воббе (modified Wobbe index) (MWI) и/или могла гарантировать работу при более высокой нагрузке, начиная с любой рабочей точки (самый большой резерв вращения).

[0082] Индекс MWI выражается как LHV_gas/(SG_gas·T_gas), где LHV_gas - низшая теплота сгорания газа, SG_gas - удельная масса газа и T_gas - температура топливного газа.

Вычисление порога для определения изменения режима работы

[0083] В указанных выше примерах осуществления изобретения описано управление газовой турбиной на основе эталонной кривой температуры выхлопного газа. Однако для улучшенного управления газовой турбиной могут быть вычислены другие параметры и кривые. Например, может использоваться пороговая кривая ttxth перехода из режима горения в первичной зоне в режим горения в первичной и вторичной зонах.

[0084] Перед описанием вычисления кривой ttxth рассмотрим режимы работы газовой турбины. Для лучшего понимания режимов работы газовой турбины приведем следующее описание. В соответствии с примером осуществления изобретения камера 40 сгорания, показанная на фиг,2, может иметь конструкцию, показанную на фиг.8. Более конкретно, камера 40 сгорания может иметь стенку 110, которая окружает первичные горелки 112 и по меньшей мере вторичную горелку 114. Могут использоваться одна или более вторичных горелок 114. Как первичные, так и вторичные горелки 112 и 114 могут быть соединены посредством соответствующих каналов 116 и 118 для подвода топлива с одним или более источниками топлива (не показаны). Первичная горелка 112 вводит топливо в первичную зону 120, где топливо в контакте с текучей средой (например, воздухом, кислородом и т.д.), поступающей от компрессора 32, воспламеняется, образуя пламя 124 в первичной зоне 120. Вторичная горелка 114 вводит топливо во вторичную зону 126, где может быть получено дополнительное пламя при воспламенении дополнительного топлива из вторичной горелки 114 при наличии текучей среды из компрессора.

[0085] Режимы работы газовой турбины могут быть сгруппированы по основным режимам или подрежимам. Основные режимы характеризуются количеством топлива, поступающим в первичные и/или вторичные горелки, и зонами, где происходит воспламенение. Основными режимами являются режим горения в первичной зоне (primary mode), режим горения в первичной и вторичной зонах (lean-lean mode) и режим с предварительным смешиванием (premixed mode). Могут быть определены и использованы другие режимы в зависимости от применения, типа турбины и т.д. Режим горения в первичной зоне представлен на фиг.8 и характеризуется тем, что более половины топлива подается в первичные горелки 112 и большая часть пламени присутствует в первичной зоне 120. Во вторичную горелку 114 подается небольшое количество топлива или топливо вообще не подается. В одном применении все топливо подается в первичные горелки, а во вторичную горелку топливо не подается. Режим горения в первичной зоне используется, когда происходит запуск газовой турбины, или когда она нагружается до первого заранее заданного значения в процентах от базовой нагрузки. В одном из примеров первое заранее заданное значение составляет приблизительно 20% от базовой нагрузки. Режим горения в первичной зоне является режимом диффузионного пламени, то есть топливо не смешивается предварительно с окислителем (например, воздухом) перед воспламенением. Напротив, в режиме с предварительным смешиванием топливо предварительно смешивается с окислителем перед воспламенением. В режиме горения в первичной и вторичной зонах могут быть задействованы горелки, работающие в режиме диффузионного пламени, и горелки, работающие в режиме с предварительным смешиванием.

[0086] Режим работы газовой турбины изменяется на режим горения в первичной и вторичной зонах, когда нагрузка возрастает выше первого заранее заданного процентного значения и находится между первым заранее заданным процентным значением и вторым заранее заданным процентным значением. В одном из примеров осуществления изобретения второе заранее заданное процентное значение составляет 75%, но может иметь различные значения в зависимости от применения. Кроме того, в режиме горения в первичной и вторичной зонах активируется вторичная горелка 114, как показано на фиг.9, при этом около 60% топлива подается в первичные горелки, и около 40% топлива подается во вторичную горелку. Тем не менее, данное процентное соотношение представлено в качестве примера и может изменяться в зависимости от применения. Для данного режима работы пламя присутствует как в первичной зоне 120, так и во вторичной зоне 126.

[0087] Режим работы газовой турбины изменяется на режим с предварительным смешиванием, когда нагрузка возрастает до третьего заранее заданного процентного значения, которое может составлять, например, приблизительно от 80% до 100%. На этой стадии большая часть топлива подается в первичные горелки 112, в то время как оставшаяся часть топлива подается во вторичную горелку 114. Однако следует отметить, что пламя перемещается из первичной зоны 120 во вторичную зону 126, как показано на фиг.10. В данном режиме газовая турбина работает с самым низким уровнем выбросов загрязняющих веществ, то есть МОх/СО.

[0088] Соответствующим и подрежимами для указанных основных режимов являются следующие: (1) подрежим горения в первичной и вторичной зонах с предварительным заполнением (lean-lean pre-fill), (2) временный подрежим горения в первичной и вторичной зонах (lean-lean transient) и (3) подрежим горения в первичной и вторичной зонах с устойчивым состоянием (lean-lean steady state) для режима горения в первичной и вторичной зонах и (1) подрежим горения во вторичной зоне с предварительным смешиванием (premixed secondary), (2) временный подрежим с предварительным смешиванием (premixed transient) (3) подрежим с устойчивым состоянием с предварительным смешиванием (premixed steady state) для режима с предварительным смешиванием. Для каждого режима и подрежима имеются конкретные условия, которые запускают их в действие. В каждый момент времени активным может быть только один режим работы.

[0089] Теперь обсудим, как рассчитать пороговую кривую ttxth перехода из режима горения в первичной зоне в режим горения в первичной и вторичной зонах. Порог перехода из режима горения в первичной зоне в режим горения в первичной и вторичной зонах базируется на кривых ttxh, рассчитанных в соответствии с описанием фиг.5 и 6. Пороговая кривая ttxth рассчитывается подобно тому, как рассчитываются эталонные кривые ttxh, то есть задаются векторы tamb, igv и tnh на основе различных диапазонов этих параметров, формируются трехмерные матрицы ttxtl, tprtl, ttxtr и tprtr, определяющие температуры выхлопного газа турбины и коэффициенты давления турбины, и вычисляется фактическая пороговая кривая ttxth с помощью уравнения ttxth=ttxtha+Δttxth. Элемент трехмерных матриц, например ttxtl_i,j,k, представляет порог температуры выхлопного газа для перехода из режима горения в первичной зоне в режим горения в первичной и вторичной зонах, если в качестве топливного газа используется бедный газ, температура окружающей среды равна tambi, угол IGV равен igvj и скорость газовой турбины равна tnhk. Следует отметить, что в математических выражениях разница между вычислением ttxh и ttxth заключается в дополнительном символе «t». Поэтому весь алгоритм для вычисления ttxth вновь не повторяется, а предполагается, что таким алгоритмом является алгоритм, использованный для вычисления ttxh. Хотя алгоритм, используемый для вычисления кривых ttxh и ttxth, один и тот же, различия в значениях этих двух кривых определяются конкретными значениями трехмерных матриц ttxtl, tprtl, ttxtr и tprtr, то есть

ttxtl=[ttxtli,j,k] для бедного топлива,

tprtl=[tprtli,j,k] для бедного топлива,

ttxtr=[ttxtli,j,k] для богатого топлива,

tprtr=[tprtli,j,k] для богатого топлива.

[0090] Кроме того, как обсуждалось выше в отношении ttxh, могут использоваться другие функции f для вычисления кривых ttxth.

[0091] Подобно поправке Δttxh поправка Δttxth учитывает фактическое падение давления выхлопного газа газовой турбины и фактическое падение давления на входе в газовую турбину. Кривые регулирования температуры газовой турбины относятся к эталонному падению давления выхлопного газа Δp_{exhaust ref} и эталонному падению давления на входе Δp_{inlet ref}. Подобно эталонной кривой ttxh, можно скорректировать пороговую кривую ttxth для различных значений падения давления выхлопного газа и падения давления на входе, используя поправку Δttxth.

[0092] В соответствии с примером осуществления изобретения блок-схема, объединяющая вычисления для определения Δttxth, представлена на фиг.11. Блок 140 селектора данных получает в качестве входных данных температуру окружающей среды tamb, угол поворота лопаток IGV, скорость вращения tnh вала и матрицу данных для богатого газа (определенную выше для ttxh). Восемь точек, подобных точкам С1-С4 и D1-D4 (показанным на фиг.5), являются выходными данными блока 140 селектора данных. В зависимости от выбранной функции может использоваться большее или меньшее число точек. Эти выходные данные подаются на вход блока 142 билинейного интерполятора. Такой же процесс осуществляется блоком 144 селектора данных для тех же самых параметров, за исключением того, что вместо матрицы данных для богатого газа используется матрица данных для бедного газа. Выходные данные блока 144 селектора данных подаются на вход блока интерполятора 146. Выходные данные интерполяторов 142 и 146, то есть фактическая кривая регулирования в виде зависимости ttxth от tprt для богатого газа и фактическая кривая регулирования в виде зависимости ttxth от tprt для бедного газа подаются в качестве входных данных в блок 148 вычислений для вычисления двух контрольных точек ttxth. Линейный интерполятор 150 получает две контрольные точки ttxt и вычисляет порог ttxth для газовой турбины. Следует отметить, что линейный интерполятор 150 может напрямую получать информацию о значении LHV топливного газа, в то время как блоки 142 и 146 интерполяторов могут напрямую получать данные о значениях igv и tnh.

[0093] В соответствии с примером осуществления изобретения, показанным на фиг.12, предлагается способ управления рабочей точкой газовой турбины, содержащей компрессор, камеру сгорания и по меньшей мере турбину. Способ включает шаг 1200 определения падения давления выхлопного газа на выходе турбины, шаг 1202 измерения давления на выходе компрессора, шаг 1204 определения коэффициента давления турбины на основе падения давления выхлопного газа и давления на выходе компрессора, шаг 1206 вычисления эталонной пороговой кривой перехода из режима горения в первичной зоне в режим горения в первичной и вторичной зонах как функции от коэффициента давления турбины, при этом пороговая кривая перехода из режима горения в первичной зоне в режим горения в первичной и вторичной зонах содержит точки, в которых работа газовой турбины изменяется между режимом горения в первичной зоне и режимом горения в первичной и вторичной зонах, шаг 1208 управления газовой турбиной для перехода между режимом горения в первичной зоне и режимом горения в первичной и вторичной зонах. Режим горения в первичной зоне определяется как обеспечивающий подачу большей части топлива в первичные горелки и подачу оставшегося топлива или отсутствие подачи топлива во вторичную горелку камеры сгорания, а также воспламенение поданного топлива в первичной зоне камеры сгорания, при этом первичная зона расположена рядом с вторичной зоной, а режим горения в первичной и вторичной зонах определяется как обеспечивающий подачу топлива как в первичные горелки, так и во вторичную горелку и горение поданного топлива как в первичной зоне, так и во вторичной зоне.

Переходы из режима горения в первичной зоне в режим горения в первичной и вторичной зонах и из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим горения в первичной зоне

[0094] Переходы из режима горения в первичной зоне в режим горения в первичной и вторичной зонах и из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим горения в первичной зоне запускаются при пересечении рабочей точкой газовой турбины кривой ttxth в плоскости (ttx, tpr), что было описано выше со ссылкой на фиг.5 и 6. В соответствии с примером осуществления изобретения последовательности переходов из режима горения в первичной зоне в режим горения в первичной и вторичной зонах и из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим горения в первичной зоне обсуждаются со ссылкой на фиг.12. На фиг.12 показана зависимость распределения S по оси Y от времени t по оси X. Распределение S указывает на количество топлива в процентах от общего количества топлива, поступившего в камеру сгорания 40 (см. фиг.2), которое подается в первичную горелку (см.112 на фиг.8), и количество топлива в процентах от общего количества топлива, которое подается во вторичные горелки (см.114 на фиг.8). Это процентное отношение называется распределением S. Например, распределение S может быть 40/60, то есть 40% от общего количества топлива подается в первичную горелку и 60% от общего количества топлива подается во вторичные горелки.

[0095] На фиг.12 показано, что контроллер обеспечивает для газовой турбины распределение S1 в момент t1 времени. Предположим, что в момент t1 времени температура ttx (фактической рабочей точки) достигает пороговой кривой ttxth 220 перехода из режима горения в первичной зоне в режим горения в первичной и вторичной зонах, изображенной на фиг.13, и остается на ней или выше нее. Предполагается, что фактическая рабочая точка перемещается по кривой 222 до тех пор, пока не достигнет пороговой кривой ttxth 220. Через заранее заданный интервал времени, равный Δt₁ секунд, от начала (t1) данного состояния, если это состояние сохраняется, то есть фактическое рабочее время остается на пороговой кривой ttxth перехода из режима горения в первичной зоне в режим горения в первичной и вторичной зонах или выше этой кривой, контроллер позволяет осуществить изменение распределения топлива с S1 на S2. Это изменение происходит постепенно, как показано на фиг.12. В соответствии с примером осуществления изобретения изменение с S1 на S2 может происходить с постоянной скоростью. Распределение топлива сохраняется с данным значением S2 в течение некоторого интервала времени до второго момента t2 времени. В соответствии с примером временная разница t2-t1 вычисляется заранее.

[0096] Когда распределение топлива изменяется с S1 на S2, газовая турбина переходит из режима горения в первичной зоне (200) в режим горения в первичной и вторичной зонах (202, 204 и 206). Другими словами, режим 200 горения в первичной зоне характеризуется значением S1, в то время как режим горения в первичной и вторичной зонах характеризуется, наряду с другими значениями, значением S2. Однако следует отметить, что режим горения в первичной и вторичной зонах имеет несколько подрежимов, каждый из которых имеет свое собственное распределение Si топлива. Распределение S2 топлива характеризует подрежим 202 горения в первичной и вторичной зонах с предварительным заполнением. Для простоты подрежимы будут называться режимами. Целью этого режима является удаление воздуха, находящегося внутри трубопровода (камеры сгорания) и гибких шлангов, с использованием топливного газа для того, чтобы сделать более стабильной последовательность перехода между режимами.

[0097] В момент t2 времени режим с предварительным заполнением завершается, и контроллер позволяет изменить распределение топлива с S2 на S3. Значение S3 характеризует временный режим 204 горения в первичной и вторичной зонах. Временный режим 204 горения в первичной и вторичной зонах устанавливается для интервала времени t3-t4 для стабилизации пламени во вторичной зоне, изображенной на фиг.8. Интервал времени t3-t4 также рассчитывается заранее. В момент t4 времени контроллер изменяет распределение топлива на S4, значение распределения в устойчивом состоянии, которое характеризует режим 206 горения в первичной и вторичной зонах с устойчивым состоянием. В одном применении распределение S3 может быть определено как S3=S4+AS₁, где ΔS₁ является небольшим отклонением, то есть в диапазоне примерно от 1 до 10%.

[0098] В момент t5 времени, когда температура ttx рабочей точки 226 падает ниже пороговой кривой ttxth+Δttx₁ 224, как показано на фиг.13, запускается переход из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим горения в первичной зоне, и распределение изменяется контроллером с S4 на S1. Зона Δttx₁ является мертвой зоной для температуры выхлопного газа для порога перехода из режима горения в первичной зоне в режим горения в первичной и вторичной зонах. Эта зона, задаваемая кривыми от ttxth до ttxth + Δttx₁, используется для предотвращения быстрого перехода газовой турбины между двумя режимами туда и обратно, поскольку температура выхлопного газа рабочей точки может слегка изменяться со временем выше и/или ниже кривой 220. Временный режим 204 горения в первичной и вторичной зонах и режим 206 горения в первичной и вторичной зонах с устойчивым состоянием (но не режим 202 горения в первичной и вторичной зонах с предварительным заполнением) могут быть прерваны в любой момент времени, когда температура ttx упадет ниже пороговой кривой ttxth + Δttx₁ 224.

[0099] Как показано на фиг.12, когда распределение изменяется с S_i на S_j, при S_i>S_j, средняя скорость изменения распределения равна R₁, a когда распределение изменяется с S_k на S_h, при S_k<S_h, средняя скорость изменения распределения равна R₂ и отличается от R₁. Эти скорости изменения могут быть постоянными и/или могут зависеть от конечных и начальных значений S_i и S_j. В соответствии с примером осуществления изобретения, когда начинается переход из режима горения в первичной зоне в режим горения в первичной и вторичной зонах, допустимый разброс температуры выхлопного газа возрастает на ΔSP₁ (разброс температуры выхлопного газа увеличивается при переходе из режима горения в первичной зоне в режим горения в первичной и вторичной зонах) в течение Δt_pr->II секунд, где «pr» обозначает режим горения в первичной зоне, «II» обозначает режим горения в первичной и вторичной зонах и Δt_pr->II обозначает продолжительность уменьшения разброса температуры во время перехода из режима горения в первичной зоне в режим горения в первичной и вторичной зонах. Значения скоростей R₁ и R₂ изменения, значения распределений S₂ и S₄ и смещение ΔS₁ могут быть подобраны в ходе настройки газовой турбины на заводе или на месте эксплуатации.

[00100] В соответствии с примером осуществления изобретения, который не предполагает ограничение других примеров осуществления, могут быть использованы следующие значения для параметров, которые обсуждались выше. Распределение S1 в режиме горения в первичной зоне может иметь значение, по существу равное 100%, распределение S2 в режиме горения в первичной и вторичной зонах с предварительным заполнением может иметь значение, по существу равное 90%, распределение S4 в режиме горения в первичной и вторичной зонах с устойчивым состоянием может иметь значение, по существу равное 65%, изменение ΔS₁ распределения может иметь значение, по существу равное - 3%, ΔSP₁ может иметь значение, по существу равное 200 F, Δt₁ может быть порядка 3с, Δt_pr->II может быть порядка 60с и Δttx₁ может быть порядка -25F. Термин «по существу» используется здесь для указания на то, что фактические значения могут отличаться от указанных значений в зависимости от применения, в пределах сущности изобретения.

[00101] Таким образом, на основе описанных выше примеров осуществления изобретения, которые относятся к переходам из режима горения в первичной зоне в режим горения в первичной и вторичной зонах и из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим горения в первичной зоне, можно управлять рабочей точкой газовой турбины, так что обеспечивается управление и режимом работы, и распределением топлива. В частности, в соответствии с примером осуществления изобретения, показанным на фиг.14, предлагается способ управления рабочей точкой газовой турбины, содержащей компрессор, камеру сгорания и по меньшей мере турбину. Способ включает шаг 1400 определения падения давления выхлопного газа на выходе турбины, шаг 1402 измерения давления на выходе компрессора, шаг 1404 определения коэффициента давления турбины на основе падения давления выхлопного газа и давления на выходе компрессора, шаг 1406 вычисления эталонной пороговой кривой перехода из режима горения в первичной зоне в режим горения в первичной и вторичной зонах как функции от коэффициента давления турбины, при этом пороговая кривая перехода из режима горения в первичной зоне в режим горения в первичной и вторичной зонах содержит точки, в которых работа газовой турбины изменяется между режимом горения в первичной зоне и режимом горения в первичной и вторичной зонах, шаг 1408 определения в первый момент времени, когда температура выхлопного газа, соответствующая рабочей точке, выше температуры выхлопного газа на эталонной пороговой кривой перехода из режима горения в первичной зоне в режим горения в первичной и вторичной зонах для одного и того же коэффициента давления турбины, и шаг 1410 изменения, через заранее заданный промежуток времени после первого момента времени, параметра распределения топлива с первого значения на второе значение, если температура выхлопного газа, соответствующая рабочей точке, остается выше температуры выхлопного газа на эталонной пороговой кривой перехода из режима горения в первичной зоне в режим горения в первичной и вторичной зонах.

[00102] Режим горения в первичной зоне определяется в настоящем варианте осуществления изобретения как обеспечивающий подачу большей части топлива в первичные горелки и подачу оставшегося топлива или отсутствие подачи топлива во вторичную горелку камеры сгорания, а также воспламенение поданного топлива в первичной зоне камеры сгорания, при этом первичная зона расположена рядом с вторичной зоной, а режим горения в первичной и вторичной зонах определяется как обеспечивающий подачу топлива как в первичные горелки, так и во вторичную горелку, и горение поданного топлива как в первичной зоне, так и во вторичной зоне. Параметр распределения топлива представляет первое количество топлива в процентах от общего количества топлива, которое принимается первичными горелками, и второе количество топлива в процентах от общего количества топлива, которое принимается вторичной горелкой.

Переходы из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием и из режима с предварительным смешиванием в режим горения в первичной и вторичной зонах

[00103] В то время как газовой турбиной управляют с помощью регулирования температуры выхлопного газа посредством IGV, геометрическое место контрольных точек температуры выхлопного газа представляется кривой TTRXGV регулирования температуры, описанной выше. В плоскости (ttx, tpr), показанной на фиг.5 и 6, снижение кривой ttxh 240 на Δttx к кривой 242 эквивалентно снижению температуры горения на ΔTTRF, как показано на фиг.15. Другими словами, кривые 240 и 242 на фиг.15 показывают соответствие между ttxh и температурой TTRF горения.

[00104] Таким образом, мертвая зона между кривыми 240 и 242 в плоскости (ttx, tpr) может заменить традиционную мертвую зону температуры горения. В настоящем описании мертвая зона используется для части плоскости, где не предпринимается никаких действий, даже если заданный параметр проходит через эту зону. На основе этого факта, далее будут описаны последовательности перехода из горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием со ссылкой на фиг.16.

[00105] Предположим, что газовая турбина работает в режиме 206 горения в первичной и вторичной зонах с устойчивым состоянием (см. фиг.16) до момента t7 времени. Распределение S топлива для данного режима равно S4 и является аналогичным распределению, описанному выше со ссылкой на фиг.12. В момент t7 времени инициируется последовательность перехода из режима 206 горения в первичной и вторичной зонах с устойчивым состоянием в режим 250 горения во вторичной зоне с предварительным смешиванием, при этом распределение топлива изменяется с S4 на S5. Переход начинается, когда логическое «И» следующих условий является ИСТИНОЙ в течение по меньшей мере Δt₂ секунд:

IGV_min+ΔlGV₁≤IGV_{set point}≤IGV_max+ΔIGV₂,

ttx≥ttxh+Δttx₃,

«premixed_mode_set» (режим с предварительным смешиванием установлен)= ИСТИНА, и

«premixed_mode_enable» (режим с предварительным смешиванием включен)= ИСТИНА,

где ΔIGV₁>0, ΔIGV₂<0, Δttx₃<0, и IGV_{set point} - точка, которая может рассчитываться контроллером постоянно или периодически и является целевой для лопаток IGV.

[00106] Значения указанных выше параметров и выражений описываются далее со ссылкой на фиг.17. Предположим, что рабочей точкой газовой турбины является 260, как показано на фиг.17. Предположим, что имеет место холодный день, то есть температура окружающей среды меньше 10°С. При регулировании угла IGV компрессора, рабочая точка 260 (которая представляет фактическую температуру выхлопного газа) может пересечь кривую 264 и достичь кривой ttxh 266, которая является желаемой для работы газовой турбины. Кривая 264 смещена относительно кривой ttxh 266 на величину Δttx₃, которая является мертвой зоной температуры выхлопного газа для порога перехода из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием и может иметь значение примерно -12,5 F. Кривая 262, которая будет описана ниже, смещена относительно кривой ttxh 266 на Δttx₃ и Δttx₄, что является порогом перехода из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием для мертвой зоны температуры выхлопного газа.

[00107] Когда рабочая точка достигает положения 260а на кривой ttxh 266, аппарат IGV полностью закрыт. При открытии IGV на величину IGV_min+ΔIGV₁, рабочая точка газовой турбины перемещается в положение 260b. Диапазон ΔIGV₁ используется для уменьшения колебания температуры горения из-за нестабильности, внесенной последовательностью перехода из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием, поскольку IGV поддерживает температуру горения, одновременно контролируя температуру выхлопного газа газовой турбины. Интервал ΔIGV₂ предотвращает переход из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием при высокой нагрузке. Подобное поведение рабочей точки 260 имеет место для жаркого дня с тем исключением, что перед пересечением кривой 264 рабочая точка 260 с достигает точки, где температура ttx не может возрастать, и рабочая точка движется по изотерме 270 до достижения кривой ttxh 266.

[00108] Режим 250 горения во вторичной зоне с предварительным смешиванием, показанный на фиг.16, изменяется, либо когда обнаруживается отсутствие первичного пламени (см., например, фиг.10) и данное обнаружение запускает подпоследовательность перехода из режима 250 горения во вторичной зоне с предварительным смешиванием во временный режим 280 с предварительным смешиванием в момент t8 времени, либо когда достигается заранее заданная максимальная продолжительность режима горения во вторичной зоне с предварительным смешиванием 250.

[00109] Когда режим 250 горения во вторичной зоне с предварительным смешиванием завершается, распределение топлива изменяется с S5 на S6, как показано на фиг.16. Распределение S6 топлива характеризует временный режим 280 с предварительным смешиванием. Временный режим 280 с предварительным смешиванием поддерживается заранее заданное время Δt₃, например около 5 сек, а затем временный режим 280 с предварительным смешиванием завершается в момент t10 времени, как показано на фиг.16. Временный режим 280 с предварительным смешиванием используется для стабилизации пламени во вторичной зоне 126, как показано на фиг.10. Режим 290 с предварительным смешиванием с устойчивым состоянием инициируется в момент t11 времени, при этом данный режим имеет значение S7 распределения топлива. Значение 86 распределения топлива временного режима 280 с предварительным смешиванием рассчитывается на основе значения S7 распределения топлива режима 290 с предварительным смешиванием с устойчивым состоянием и может иметь значение S6=S7+ΔS₂, где ΔS₂ равно в одном из вариантов осуществления изобретения приблизительно -2%.

[00110] Когда временный режим 280 с предварительным смешиванием завершается в момент t10 времени, контроллер управляет газовой турбиной для перехода в режим 290 с предварительным смешиванием с устойчивым состоянием, тем самым изменяя значение распределения топлива с S6 на S7. Ожидается, что значение S7 распределения топлива зависит от фактических условий реакции, которые связаны с топливными характеристиками, температурой реакции и временем индукции. Температура реакции - это температура, при которой происходит горение, близкое к завершающей фазе, а время индукции - это время, потраченное на образование промежуточных химических веществ (радикалов), которые являются ускорителями быстрой реакции (быстрая реакция обычно называется «пламенем»), начиная с перемешивания реагентов.

[00111] В соответствии с примером осуществления изобретения распределение S7 топлива может быть установлено для достижения желаемого компромисса между выбросами, динамикой и стабильностью. Это компромиссное значение может задаваться следующей формулой, которая не предназначена для ограничения изобретения:

S7=split=splithr·(LHV-LHVI)/(LHVr-LHVI)+splithl·(LHVr-LHV)/(LHVr-LHVI)+Δsplit, где

LHV - низшая теплота сгорания фактического топлива,

LHVI - низшая теплота сгорания бедного топлива,

LHVr - низшая теплота сгорания богатого топлива,

splithr=LinearInterpolation(splitr, igv),

splithl=LinearInterpolation(splitl, igv), и

igv - фактический угол IGV.

[00112] В соответствии с примером осуществления изобретения матрицы splitr и splitl могут быть определены следующим образом:

splitr

  igv₁ igv₂ igv₃ igv₄ igv₅ igv₆   splitr₁ … splitr₃ … … splitr₆

splitl

  igv₁ igv₂ igv₃ igv₄ igv₅ igv₆   splitl₁ … splitl₃ … … splitl₆

Δsplit=LinearInterpolation(Δsplit, Δttx₅, igv),

Δsplit

  igv₁ igv₂ igv₃ igv₄ igv₅ igv₆ Δttx_5,1 Δsplit_1,1 … … … … … Δttx_5,2 Δsplit_2,1 … … … … … Δttx_5,3 Δsplit_3,1 … … … … … Δttx_5,4 Δsplit_4,1 … Δsplit_3,4 … … splitl_6,4

с Δttx₅=ttxh-ttx.

[00113] Если сигнал LHV недоступен, например из-за неисправности калориметра или ошибки калибровки, вместо фактического значения может использоваться значение (LHVr+LHVI)/2. Другие значения могут использоваться в зависимости от применения. В соответствии с примером осуществления изобретения режим с предварительным смешиванием (который включает режим горения во вторичной зоне с предварительным смешиванием, временный режим с предварительным смешиванием и режим с предварительным смешиванием с устойчивым состоянием) может быть прерван в любое время, когда выполняются условия переходов из режима с предварительным смешиванием в режим горения в первичной и вторичной зонах или расширенный режим горения в первичной и вторичной зонах. В одном применении, когда параметр распределения топлива изменяется с S_i на S_j при S_i>S_j, скорость изменения распределения может быть равна R₃. В другом применении, когда параметр распределения топлива изменяется с S_k на S_h при S_k<S_h, скорость изменения распределения может быть равна R₄. В еще одном применении скорости изменения распределения могут зависеть от конечных и начальных значений параметра распределения топлива.

[00114] В соответствии с примером осуществления изобретения, когда начинается переход из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием, допустимый разброс температуры выхлопного газа увеличивается на ΔSP₂ в течение Δt_II->pm секунд. Величина ΔSP₂ может быть равна приблизительно 200 F, а величина Δt_II->pm может составлять примерно 60 сек. Скорости R₃ и R₄ изменения, значение S7 распределения и смещение ΔS₂ могут регулироваться по желанию оператором газовой турбины в процессе настройки турбины.

[00115] Далее описывается противоположный процесс, то есть переход из режима с предварительным смешиванием в режим горения в первичной и вторичной зонах. Поскольку расширенный режим горения в первичной и вторичной зонах может быть определен как эквивалентный режиму горения в первичной и вторичной зонах, но управляемый в рабочем диапазоне газовой турбины, где режим с предварительным смешиванием работает должным образом, переход из режима с предварительным смешиванием в расширенный режим горения в первичной и вторичной зонах аналогичен переходу из режима с предварительным смешиванием в режим горения в первичной и вторичной зонах. По этой причине далее описывается только переход из режима с предварительным смешиванием в режим горения в первичной и вторичной зонах. Переход из режима с предварительным смешиванием в режим горения в первичной и вторичной зонах инициируется, когда логическое ИЛИ следующих условий является ИСТИНОЙ в течение по меньшей мере AU секунд:

IGV_{set point}≤IGV_min

ttx≤ttxh+Δttx₃+Δttx₄

«primary reignition» (повторное воспламенение в первичной зоне) = ИСТИНА

«premixed_mode_enable» (режим с предварительным смешиванием включен) = ЛОЖЬ

при Δttx₄<0. Режим с предварительным смешиванием может быть включен/выключен оператором. Таким образом, «premix_mode_enable» является логической переменной, которая может использоваться для управления этим режимом турбины.

[00116] Как показано на фиг.18, рабочая точка 300 газовой турбины может находиться на кривой ttxh 266. Когда реализуется указанная выше логическая операция ИЛИ, рабочая точка 300 перемещается в новое положение 300а. Этот переход может произойти, когда требуемая нагрузка газовой турбины снижается. Когда рабочая точка пересекает кривую 262, описанную выше, запускается переход из режима с предварительным смешиванием в режим горения в первичной и вторичной зонах. Этот переход может произойти для холодного дня или для жаркого дня с той разницей, что рабочая точка для жаркого дня может перемещаться вдоль изотермы 270, подобно тому, как было описано со ссылкой на фиг.17. Следует отметить, что пороговая кривая 262 для перехода из режима с предварительным смешиванием в режим горения в первичной и вторичной зонах может отличаться от пороговой кривой 264 для перехода из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием.

[00117] Если предположить, что переход между режимом 290 с предварительным смешиванием и режимом 206 горения в первичной и вторичной зонах (или другими подрежимами режима горения в первичной и вторичной зонах) происходит в момент t12 времени, как показано на фиг.19, свечи зажигания (не показаны) камеры сгорания активируются для повторного воспламенения топлива. Если обнаруживается повторное воспламенение в первичной зоне в момент t13 времени, распределение топлива изменяется с S7 на S4 со средней скоростью R₅ изменения.

[00118] Если повторное воспламенение в первичной зоне не обнаруживается в течение Δt₅ секунд, газовая турбина сконфигурирована для выключения. Выход из режима с предварительным смешиванием 290 (как в режим горения в первичной и вторичной зонах, так и в расширенный режим горения в первичной и вторичной зонах) устанавливает в контроллере условие «premixed_mode_set» в значение ЛОЖЬ. Условие «premixed_mode_set» вновь устанавливается в значение ИСТИНА, когда логическое ИЛИ следующих условий является ИСТИНОЙ в течение по меньшей мере Ate секунд:

IGV_{set point}≤IGV_min, и

ttx≤ttxh+Δttx₃+Δttx₄.

[00119] Этот механизм позволяет предотвращать непрерывные входы в режим с предварительным смешиванием и выходы из него в случае больших флуктуаций мощности газовой турбины.

[00120] Через интервал времени Δt₇ секунд после того, как условие "premixed_mode_set" было установлено в значение ЛОЖЬ, оператор газовой турбины получает возможность вновь установить его в значение ИСТИНА. Такая конфигурация позволяет оператору подготовить газовую турбину для повторного входа в режим с предварительным смешиванием, что позволяет избежать снижения нагрузки газовой турбины, требуемого в соответствии с существующими алгоритмами (полное закрытие IGV).

[00121] В соответствии с примером осуществления изобретения могут быть использованы следующие числовые значения для различных временных интервалов, описанных выше. Δt₄ может иметь значение приблизительно 0,5 сек, Δt₅ может иметь значение приблизительно 8 сек, Ate может иметь значение приблизительно 5 сек, и Δt₇ может иметь значение приблизительно 10 сек.

[00122] В соответствии с примером осуществления изобретения, показанным на фиг.20, предлагается способ управления рабочей точкой газовой турбины, содержащей компрессор, камеру сгорания и по меньшей мере турбину. Способ включает шаг 2000 определения падения давления выхлопного газа на выходе турбины, шаг 2002 измерения давления на выходе компрессора, шаг 2004 определения коэффициента давления турбины на основе падения давления выхлопного газа и давления на выходе компрессора, шаг 2006 вычисления температуры выхлопного газа на выходе турбины как функции от коэффициента давления турбины, шаг 2008 определения, выполнены ли оба условия (1) и (2), при этом условием (1) является IGV_min+ΔIGV₁≤IGV_{set point}≤IGV_max+ΔIGV₂, а условием (2) является ttx≥ttxh+Δttx₃, где IGV_{set point} - заранее заданный угол входного направляющего аппарата (IGV), установленного на входе в компрессор, IGV_min - минимальное значение IGV, IGV_max - максимальное значение IGV, ΔIGV₁ - первое заранее заданное увеличение положительного угла IGV для перехода из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием, ΔIGV₂ - второе заранее заданное увеличение отрицательного угла IGV для перехода из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием, ttx - текущая температура выхлопного газа, ttxh - эталонная кривая температуры выхлопного газа, Δttx₃ - заранее заданная отрицательная температура, характеризующая мертвую зону температуры выхлопного газа для перехода из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием, и шаг 2010 изменения, если выполнены оба условия (1) и (2), параметра распределения топлива с первого значения на второе значение или, в противном случае, сохранения первого значения, причем первое значение характеризует режим горения в первичной и вторичной зонах с устойчивым состоянием, а второе значение характеризует режим горения в первичной и вторичной зонах с предварительным смешиванием режима с предварительным смешиванием. Режим с предварительным смешиванием определяется как обеспечивающий подачу топлива в первичные горелки и вторичную горелку камеры сгорания и воспламенение поданного топлива во вторичной зоне камеры сгорания, в то время как первичные зоны не содержат пламени, причем первичные зоны расположены рядом с вторичной зоной, режим горения в первичной и вторичной зонах определяется как обеспечивающий подачу топлива как в первичные горелки, так и во вторичную горелку и воспламенение поданного топлива как в первичных зонах, так и во вторичной зоне, а параметр распределения топлива определяет в процентах первое количество от общего количества топлива, получаемое первичными горелками, и второе количество от общего количества топлива, получаемое вторичной горелкой.

[00123] В соответствии с примером осуществления изобретения эталонная кривая ttxh температуры выхлопного газа, кривая ttxth пороговой температуры выхлопного газа и другие кривые, отображенные в плоскости (ttx, tpr), могут быть вычислены на основе других характеризующих топливо параметров, вместо низшей теплоты сгорания (LHV). Такими параметрами могут быть, например, уровень NOx (оксидов азота), отношение верхнего предела воспламеняемости к нижнему (нижний предел воспламеняемости представляет собой наименьший процент горючего вещества в данном объеме смеси топлива и воздуха (или другого окислителя), которое поддерживает самораспространение огня, а верхний предел воспламеняемости представляет собой наибольший процент горючего вещества в данном объеме смеси топлива и воздуха, которое поддерживает самораспространение огня) и т.д. Другими словами, кривая ttxh была рассчитана в рассматриваемом примере осуществления изобретения как ttxh=ttxha+Δttxh, где ttxha=ttxhr·(LHV-LHVI)/(LHVr-LHVI)+ttxhl·(LHVr-LHV)/(LHVr-LHVI). Однако ttxha зависит от низшей теплоты сгорания LHV топлива, а не от уровня NOx, отношения верхнего предела воспламеняемости к нижнему и т.д.

[00124] Таким образом, если газовая турбина питается последовательно первым и вторым видами топлива, имеющими одинаковый индекс MWI, но разные уровни NOx, алгоритм, описанный выше для расчета ttxh, не чувствителен к уровню NOx, так как этот уровень не является частью функции ttxha. Поскольку число MWI зависит от LHV, которая отражается в формуле для ttxha, то ttxha и неявно кривая ttxha зависят от изменения числа MWI топлива. Однако, поскольку первый и второй виды топлива имеют похожие индексы MWI, кривая ttxh и другие кривые на основе LHV-переменной не могут «видеть», что в газовой турбине используются разные виды топлива.

[00125] По этой причине в соответствии с примером осуществления изобретения ttxh, ttxth и другие кривые могут быть рассчитаны как функции от уровня NOx, отношения верхнего предела воспламеняемости к нижнему или других параметров, характерных для топлива. В одном применении одни и те же математические функции и алгоритм могут использоваться для расчета новых кривых ttxh, ttxth, но с LHV-параметром, замененным на новый параметр. Однако другие функции и/или алгоритмы могут использоваться для расчета ttxh, ttxth и других кривых на основе уровня NOx, отношения верхнего предела воспламеняемости к нижнему и т.д. Другими словами, контроллер 70 может быть выполнен с возможностью вычисления требуемых кривых в множестве плоскостей (ttx, tpr), каждая из которых соответствует данному параметру топлива.

[00126] В соответствии с примером осуществления изобретения контроллер может быть выполнен с возможностью использования параметра, указывающего на характеристику топлива, для определения эталонной кривой температуры выхлопного газа. В качестве параметра, как описано выше, может выступать одно из следующего: низшая теплота сгорания топлива, уровень NOx топлива, отношение верхнего предела воспламеняемости топлива к нижнему или их комбинация. Кроме того, контроллер может быть выполнен с возможностью вычисления эталонных кривых температуры выхлопного газа на основе соответствующего параметра, например трех эталонных кривых для трех отмеченных параметров, выбора одной из вычисленных эталонных кривых температуры выхлопного газа и управления газовой турбиной на основе выбранной эталонной кривой температуры выхлопного газа (эталонной кривой на основе уровня NOx для примера, рассмотренного выше).

[00127] Для иллюстрации, но не для ограничения изобретения пример типичного контроллера 2100, способного выполнять операции в соответствии с примерами осуществления изобретения, приведен на фиг.21. Контроллер 70, описанный выше со ссылкой на фиг.2, может иметь структуру контроллера 2100. Однако следует понимать, что принципы настоящего изобретения в равной мере могут быть применимы к процессору, компьютерной системе и т.п.

[00128] Пример контроллера 2100 может содержать блок 2102 обработки/управления, такой как микроконтроллер, компьютер с сокращенным набором команд (reduced instruction set computer) (RISC) или другой центральный модуль обработки. Блок 2102 обработки не обязательно является отдельным устройством и может включать один или более процессоров. Например, блок 2102 обработки может содержать главный процессор и связанные с ним подчиненные процессоры, соединенные для коммуникации с главным процессором.

[00129] Блок 2102 обработки может управлять основными функциями системы, как предписано программами, доступными в запоминающем устройстве/памяти 2104. Таким образом, блок 2102 обработки может выполнять функции, описанные на фиг.14 и 20. В частности, запоминающее устройство/память 2104 может включать операционную систему и программные модули для выполнения функций и приложений на контроллере. Например, запоминающее устройство программ может включать одно или более из следующего: постоянное запоминающее устройство (read-only memory) (ПЗУ, ROM), флэш-память, программируемое и/или стираемое ПЗУ, оперативное запоминающее устройство (random access memory) (ОЗУ, RAM), интерфейсный модуль абонента (subscriber interface module) (SIM), беспроводной интерфейсный модуль (wireless interface module) (WIM), смарт-карта или другое съемное запоминающее устройство и т.д. Программные модули и связанные с ними особенности также могут передаваться контроллеру 2100 с помощью сигналов данных, например загружаемых в электронном виде через сеть, такую как Интернет.

[00130] Одна из программ, которая может храниться в запоминающем устройстве/памяти 2104, является конкретным приложением 2106. Как описано ранее, конкретное приложение 2106 может хранить соответствующие параметры газовой турбины и также может содержать команды для вычисления пороговой кривой перехода из режима горения в первичной зоне в режим горения в первичной и вторичной зонах и передачи команд на закрытие или открытие IGV и т.д. Программа 2106 и связанные с ней особенности могут быть реализованы в программном обеспечении и/или встроенном программном обеспечении, выполняемом процессором 2102. Запоминающее устройство/память 2104 программ может также использоваться для хранения данных 2108, таких как соответствующие параметры газовой турбины или других данных, связанных с примерами осуществления настоящего изобретения. В одном примере программы 2106 и данные 2108 хранятся в энергонезависимом электрически стираемом программируемом ПЗУ (non-volatile electrically-erasable, programmable ROM) (EEPROM), флэш-памяти и т.д., так что информация не теряется после отключения питания контроллера 2100.

[00131] Процессор 2102 может также быть соединен с элементами пользовательского интерфейса 2110, связанными с диспетчерским пунктом электростанции. Пользовательский интерфейс 2110 электростанции может содержать, например, дисплей 2112, такой как жидкокристаллический дисплей, клавиатуру 2114, динамик 2116 и микрофон 2118. Эти и другие компоненты пользовательского интерфейса связаны с процессором 2102, как известно из области техники. Клавиатура 2114 может содержать буквенно-цифровые клавиши для выполнения различных функций, включая набор номеров и выполнение операций, назначенных для одной или более клавиш. В альтернативном варианте могут быть задействованы другие механизмы пользовательского интерфейса, такие как голосовые команды, переключатели, сенсорная панель/экран, графический дисплей пользователя с применением указательного устройства, трекбола (шарового указателя), джойстика и другого механизма пользовательского интерфейса.

[00132] Контроллер 2100 может также включать цифровой сигнальный процессор (digital signal processor) (DSP) 2120. Процессор DSP 2120 может выполнять множество функций, включая аналого-цифровое (A/D) преобразование, цифроаналоговое (D/A) преобразование, речевое кодирование/декодирование, шифрование/дешифрование, обнаружение ошибок и коррекция, преобразование битового потока, фильтрация и т.д. Приемопередатчик 2122, обычно связанный с антенной 2124, может передавать и принимать радиосигналы, связанные с беспроводным устройством.

[00133] Контроллер 2100 на фиг.21 представлен в качестве примера вычислительной среды, в которой могут быть применены принципы примеров осуществления настоящего изобретения. Из данного описания, специалистам понятно, что настоящее изобретение в равной мере применимо в множестве других известных в настоящее время и будущих мобильных и стационарных вычислительных средах. Например, конкретное приложение 2106 и связанные с ним особенности и данные 2108 могут храниться различным образом, могут выполняться на различных обрабатывающих устройствах, могут функционировать в мобильных устройствах, имеющих большее или меньшее количество схем поддержки и механизмов пользовательского интерфейса или другие схемы поддержки и механизмы пользовательского интерфейса. Следует отметить, что принципы примеров осуществления настоящего изобретения в равной мере применимы не только к мобильным терминалам, но и к вычислительным системам с наземной линией связи.

[00134] В соответствии с описанными примерами осуществления изобретения предлагается газовая турбина, компьютерная система и способ управления газовой турбиной на основе нового подхода и порога. Следует понимать, что данное описание не предназначено для ограничения изобретения. Напротив, примеры осуществления изобретения охватывают другие варианты, модификации или эквиваленты, которые находятся в пределах сущности изобретения, определяемой формулой изобретения. Кроме того, в подробном описании примеров осуществления изобретения многочисленные конкретные детали представлены для обеспечения полного понимания заявленного изобретения. Однако специалисту понятно, что различные варианты осуществления изобретения могут быть реализованы без указанных конкретных деталей.

[00135] 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.

[00136] В настоящем описании приводятся варианты осуществления изобретения, включая предпочтительный вариант, для раскрытия изобретения и для обеспечения возможности специалисту реализовать изобретение на практике, включая изготовление и использование любых устройств или систем и выполнение любых соответствующих способов. Объем правовой охраны изобретения определяется формулой изобретения и охватывает другие примеры, понятные специалистам. Такие другие примеры охватываются формулой изобретения, если они содержат структурные элементы, которые не отличаются от указанных в пунктах формулы, или если они содержат эквивалентные структурные элементы.

Изобретение относится к энергетике. Способ управления рабочей точкой газовой турбины, содержащей компрессор, камеру сгорания и турбину. Способ включает вычисление эталонной кривой температуры выхлопного газа турбины как функции от коэффициента давления турбины, управление параметром распределения топлива. Также представлен контроллер для управления рабочей точкой газовой турбины. Изобретение позволяет обеспечить более точное управление температурой горения, более точное управление параметрами горения, более точное управление выбросом выхлопного газа. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 21 ил., 1 табл.

1. Способ управления рабочей точкой газовой турбины, содержащей компрессор, камеру сгорания и по меньшей мере турбину, включающий:
определение (2000) падения давления выхлопного газа на выходе турбины;
измерение (2002) давления на выходе компрессора;
определение (2004) коэффициента давления турбины на основе падения давления выхлопного газа и давления на выходе компрессора;
вычисление (2006) эталонной кривой температуры выхлопного газа турбины как функции от коэффициента давления турбины;
определение (2008), выполнены ли оба условия (1) и (2), при этом условием (1) является IGV_min+ΔIGV₁≤IGV_{set point}≤IGV_max+ΔIGV₂, а условием (2) является ttx>ttxh+Δttx₃, где IGV_{set point} - целевой угол входного направляющего аппарата (IGV), установленного на входе в компрессор, IGV_min - минимальное значение IGV, IGV_max - максимальное значение IGV, ΔIGV₁ - первое заранее заданное увеличение положительного угла IGV для перехода из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием, ΔIGV₂ - второе заранее заданное увеличение отрицательного угла IGV для перехода из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием, ttx - текущая температура выхлопного газа, ttxh - эталонная кривая температуры выхлопного газа, Δttx₃ - заранее заданная отрицательная температура, характеризующая мертвую зону температуры выхлопного газа для перехода из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием, и
изменение (2010), если выполнены оба условия (1) и (2), параметра распределения топлива с первого значения на второе значение или, в противном случае, сохранение первого значения, причем первое значение характеризует режим горения в первичной и вторичной зонах с устойчивым состоянием, а второе значение характеризует режим горения во вторичной зоне с предварительным смешиванием режима с предварительным смешиванием,
при этом режим с предварительным смешиванием определяется как обеспечивающий подачу топлива в первичные горелки и во вторичную горелку камеры сгорания и воспламенение поданного топлива во вторичной зоне камеры сгорания, в то время как первичные зоны не содержат пламени, причем первичные зоны расположены рядом с вторичной зоной,
режим горения в первичной и вторичной зонах определяется как обеспечивающий подачу топлива как в первичные горелки, так и во вторичную горелку, и воспламенение поданного топлива как в первичных зонах, так и во вторичной зоне, а
параметр распределения топлива определяет в процентах первое количество от общего количества топлива, которое принимается первичными горелками, и второе количество от общего количества топлива, которое принимается вторичной горелкой.

2. Способ по п.1, также включающий:
определение, выполняется ли по меньшей мере одно из условий (3), (4), (5) и (6) в течение по меньшей мере заранее заданного интервала времени, при этом условием (3) является IGV_{set point}≤IGV_min, условием (4) является ttx≤ttxh+Δttx₃+Δttx₄, условием (5) является «primary reignition» (повторное воспламенение в первичной зоне) = ИСТИНА, и условием (6) является «premixed_mode_enable» (режим с предварительным смешиванием включен) = ЛОЖЬ, где Δttx₄ - заранее заданная отрицательная температура, характеризующая мертвую зону температуры выхлопного газа для перехода из режима с предварительным смешиванием в режим горения в первичной и вторичной зонах, «primary reignition» - логическая переменная, указывающая на то, воспламеняется ли повторно топливо в первичной зоне турбины, «premixed_mode_enable» - логическая переменная, вводимая оператором, и
изменение, если выполняется одно из условий (3), (4), (5) и (6), параметра распределения топлива с третьего значения на первое значение или, в противном случае, сохранение значения, при этом упомянутое значение характеризует режим с предварительным смешиванием с устойчивым состоянием режима с предварительным смешиванием.

3. Способ по п.1 или 2, также включающий
изменение второго значения параметра распределения топлива на четвертое значение, либо когда пламя не обнаруживается в первичных зонах, либо через первый заранее заданный интервал времени, при этом четвертое значение характеризует временный режим с предварительным смешиванием режима с предварительным смешиванием.

4. Способ по п.3, также включающий
изменение четвертого значения параметра распределения топлива на третье значение через второй заранее заданный интервал времени.

5. Способ по п.3, в котором второе значение является самым низким, четвертое значение является самым высоким, третье значение находится между вторым значением и четвертым значением, а первое значение находится между вторым значением и третьим значением.

6. Способ по п.1 или 2, также включающий
изменение параметра распределения топлива между режимами с заранее заданной скоростью.

7. Способ по п.1 или 2, в котором шаг вычисления эталонной кривой температуры выхлопного газа включает
использование параметра, указывающего на характеристику топлива, для определения эталонной кривой температуры выхлопного газа, при этом параметром является одно из следующего: низшая теплота сгорания топлива, уровень NOx топлива, отношение верхнего предела воспламеняемости топлива к нижнему или их комбинация.

8. Контроллер (70, 2100) для управления рабочей точкой газовой турбины (30), содержащей компрессор (32), камеру (40) сгорания и по меньшей мере турбину (50), включающий:
датчик (34) давления, выполненный с возможностью измерения давления на выходе компрессора, и
процессор (2102), соединенный с датчиком (34) давления и выполненный с возможностью
определения падения давления выхлопного газа на выходе турбины,
определения коэффициента давления турбины на основе падения давления выхлопного газа и давления на выходе компрессора,
вычисления эталонной кривой температуры выхлопного газа турбины как функции от коэффициента давления турбины,
определения, выполнены ли оба условия (1) и (2), при этом условием (1) является IGV_min+ΔIGV₁≤IGV_{set point}≤IGV_max+ΔIGV₂, а условием (2) является ttx≥ttxh+Δttx₃, где IGV_{set point} - целевой угол входного направляющего аппарата (IGV), установленного на входе в компрессор, IGV_min - минимальное значение IGV, IGV_max - максимальное значение IGV, ΔIGV₁ - первое заранее заданное увеличение угла IGV для перехода из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием, ΔIGV₂ - второе заранее заданное увеличение положительного угла IGV для перехода из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием, ttx - текущая температура выхлопного газа, ttxh - эталонная кривая температуры выхлопного газа, Δttx₃ - заранее заданная отрицательная температура, характеризующая мертвую зону температуры выхлопного газа для перехода из режима горения в первичной и вторичной зонах в режим с предварительным смешиванием, и
изменения, если выполнены оба условия (1) и (2), параметра распределения топлива с первого значения на второе значение или, в противном случае, сохранение первого значения, причем первое значение характеризует режим горения в первичной и вторичной зонах с устойчивым состоянием, а второе значение характеризует режим горения во вторичной зоне с предварительным смешиванием режима с предварительным смешиванием,
при этом режим с предварительным смешиванием определяется как обеспечивающий подачу топлива в первичные горелки и вторичную горелку камеры сгорания и воспламенение поданного топлива во вторичной зоне камеры сгорания, в то время как первичные зоны не содержат пламени, причем первичные зоны расположены рядом с вторичной зоной,
режим горения в первичной и вторичной зонах определяется как обеспечивающий подачу топлива как в первичные горелки, так и во вторичную горелку, и воспламенение поданного топлива как в первичных зонах, так и во вторичной зоне, а
параметр распределения топлива определяет в процентах первое количество от общего количества топлива, которое принимается первичными горелками, и второе количество от общего количества топлива, которое принимается вторичной горелкой.

9. Контроллер по п.8, в котором процессор также выполнен с возможностью
определения, выполняется ли по меньшей мере одно из условий (3), (4), (5) и (6) в течение по меньшей мере заранее заданного интервала времени, при этом условием (3) является IGV_{sei point}≤IGV_min, условием (4) является ttx≤ttxh+Δttx₃+Δttx₄, условием (5) является «primary reignition» = ИСТИНА, и условием (6) является «premixed_mode_enable» = ЛОЖЬ, где Δttx₄ - заранее заданная отрицательная температура, характеризующая мертвую зону температуры выхлопного газа для перехода из режима с предварительным смешиванием в режим горения в первичной и вторичной зонах, «primary reignition» - логическая переменная, указывающая на то, воспламеняется ли повторно топливо в первичной зоне, premix_mode_enable - логическая переменная, вводимая оператором, и
изменения, если выполняется одно из условий (3), (4), (5) и (6), параметра распределения топлива с третьего значения на первое значение или, в противном случае, сохранение третьего значения, при этом третье значение характеризует режим с предварительным смешиванием с устойчивым состоянием.

10. Контроллер по п.8 или 9, в котором процессор также выполнен с возможностью
изменения второго значения параметра распределения топлива на четвертое значение, когда пламя не обнаруживается в первичных зонах в течение определенного времени, или изменения распределения топлива на первое значение, если пламя обнаруживается в первичных зонах через первый заранее заданный интервал времени, при этом четвертое значение характеризует временный режим с предварительным смешиванием.

11. Контроллер по п.10, в котором процессор также выполнен с возможностью
изменения четвертого значения параметра распределения топлива на третье значение через второй заранее заданный интервал времени.

12. Контроллер по п.8 или 9, в котором процессор также выполнен с возможностью
использования параметра, указывающего на характеристику топлива, для определения эталонной кривой температуры выхлопного газа, при этом параметром является одно из следующего: низшая теплота сгорания топлива, уровень МОх топлива, отношение верхнего предела воспламеняемости топлива к нижнему или их комбинация.

13. Контроллер по п.8 или 9, в котором процессор выполнен с возможностью
вычисления эталонных кривых температуры выхлопного газа на основе соответствующего параметра,
выбора одной из вычисленных эталонных кривых температуры выхлопного газа и управления газовой турбиной на основе выбранной эталонной кривой температуры выхлопного газа.