Способ и устройство для подачи топлива в газовую турбину



Способ и устройство для подачи топлива в газовую турбину
Способ и устройство для подачи топлива в газовую турбину
Способ и устройство для подачи топлива в газовую турбину

 


Владельцы патента RU 2611543:

СИМЕНС АКЦИЕНГЕЗЕЛЛЬШАФТ (DE)

Изобретения относятся к способу и устройству для подачи топлива в газовую турбину. Описан способ управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины,

содержащей компрессор выше по потоку относительно камеры сгорания, причем способ содержит: подачу топлива в камеру сгорания; получение входного давления воздуха на входе компрессора; получение входной температуры воздуха на входе компрессора; получение выходного давления воздуха на выходе компрессора; получение сигнала отбора воздуха, указывающего количество воздуха, не поступающего в камеру сгорания; оценивание тепловыделение топлива, подаваемого в камеру сгорания, на основе входного давления воздуха, входной температуры воздуха, выходного давления воздуха и сигнала отбора воздуха; сравнение оцененного тепловыделения с требуемым тепловыделением, чтобы получить сигнал ошибки; и управление топливным клапаном, регулирующим подачу топлива в камеру сгорания, на основе сигнала ошибки. Технический результат изобретений – повышение стабильности работы газовой турбины. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины, содержащей компрессор выше по потоку относительно камеры сгорания, причем, в частности, учитывается изменяющийся состав подаваемого топлива.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Наземная стационарная газовая турбина, такая как газовая турбина, содержит компрессорную секцию для сжатия воздуха, секцию камеры сгорания, в которой топливо со сжатым воздухом сжигается, и турбинную секцию, в которой выхлопная отработавшая смесь топлива и воздуха используется для приведения во вращение турбинной секции, чтобы генерировать механическую энергию, из которой, в частности, также может генерироваться электрическая энергия. Такая газовая турбина может требовать управления подачей топлива, что может требовать знания теплотворной способности топлива, в частности "низшей калорийности" или "LCV" и плотности топлива.

Большинство применений или рабочих условий газовых турбин может иметь относительно согласованную или постоянную подачу газового топлива, так что эти значения не могут изменяться чрезмерным образом. Однако другие применения или рабочие условия газовой турбины могут содержать прием различных или изменяющихся газовых топлив с быстрым переходом между этими различными газовыми топливами. При этом стабильность управления двигателем и рабочие условия и ограничение допустимого рабочего диапазона двигателя могут быть нарушены.

При обстоятельствах или рабочих условиях, где согласованный или постоянный состав топлива ожидается в качестве подаваемого топлива, значение LCV и удельный вес ("SG"), из которого может быть вычислена массовая плотность топлива, могут быть обеспечены пользователем газовой турбины, который мог выполнять анализ топлива, причем этот анализ топлива или его результаты могли быть введены в систему управления при вводе в эксплуатацию.

После этого, в обычной системе, физические/химические свойства топлива предполагаются постоянными, включая допущение постоянных LCV и SG.

ЕР 0727574 A1 раскрывает способ и устройство для регулирования выбросов NOx из двигателя внутреннего сгорания, причем было установлено, что существует соотношение между механической эффективностью двигателя внутреннего сгорания и температурой сгорания, и температура сгорания имеет важное значение для выбросов NOx.

ЕР 1387073 А2 раскрывает управление плотностью заряда для двигателя с внутреннего сгорания, причем значение, указывающее на желательную плотность заряда горючей смеси для двигателя определяется в зависимости от скорости двигателя и нагрузки на двигателе.

US 2009/0192698 A1 раскрывает способ автоматического управления стационарным газовым двигателем, в котором отклонение регулирования скорости двигателя вычисляется из установленной скорости двигателя и фактической скорости двигателя, и установленный крутящий момент определяется как корректирующая переменная из отклонения регулирования скорости с помощью контроллера скорости, причем установленный объемный расход определяется как функция установленного крутящего момента, чтобы установить угол дросселирования смеси и угол дросселирования газа, и в котором установленный объемный расход изменяется, чтобы регулировать угол дросселирования газа посредством корректирующего коэффициента.

US 4380898 раскрывает систему управления подачей топлива для газотурбинного двигателя, в которой триммерное устройство снижает эффект вариации геометрии двигателя в холодных пусках, причем триммер использует угол рычага дроссельной заслонки и входное давление двигателя, чтобы вычислить желательное значение связанного с тягой параметра.

ЕР 2450551 А2 раскрывает системы и способы для компенсации вариаций состава топлива в газовой турбине, при этом способ включает в себя мониторинг по меньшей мере одного параметра топлива, ассоциированного камерой сгорания турбины; мониторинг одной или более характеристик динамики горения, ассоциированных с камерой сгорания турбины; мониторинг одной или более характеристик производительности и выбросов, ассоциированных с турбиной; оценивание состава топлива на основе, по меньшей мере частично, по меньшей мере одного параметра топлива, одной или более характеристик динамики горения и одной или более характеристик производительности и выбросов, и коррекцию по меньшей мере одного параметра топлива на основе, по меньшей мере частично, оцененного состава топлива.

Если состав топлива изменяется во время работы на газе, регулятор будет автоматически регулировать топливный клапан для поддержания целей регулировки в замкнутом контуре (обычно скорость выходного вала). Однако имеются рабочие пределы для двигателя, достигаемые посредством предопределенных границ тепла, подводимого топливом, и когда топливная система применяет низшую калорийность (теплотворность) топлива (LCV) и удельный вес (SG) при интерпретации требуемого подвода тепла, эти границы эффективно смещаются, если состав топлива изменился. Это может привести к ухудшению работы в переходном режиме, такому как пульсация компрессора, или к сбою ускорения газогенератора ("зависание"). Еще одна проблема может быть вызвана усилениями регулятора в PI-контроллере, становящимися некорректными, потенциально ухудшая стабильность работы.

Может иметься потребность в способе и устройстве управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины, содержащей компрессор выше по потоку относительно камеры сгорания, причем по меньшей мере частично нерегулируемые изменения в составе или физических/химических свойствах топлива учитываются, в частности, чтобы обеспечить стабильную работу газовой турбины.

Вышеуказанная потребность удовлетворяется объектом согласно независимым пунктам формулы изобретения. Зависимые пункты определяют конкретные варианты осуществления настоящего изобретения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Варианты осуществления обеспечивают оценку LCV топлива в системе управления двигателем для изменяющегося состава топлива.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения предложен (в частности, по меньшей мере частично, реализованный процессором или вычислительной системой) способ регулирования подачи (в частности, объемного расхода, количества в единицу времени, массового расхода) топлива в камеру сгорания газовой турбины, содержащей компрессор выше по потоку (по отношению к направлению потока воздуха, сжимаемого в компрессоре) относительно камеры сгорания, при этом способ содержит подачу (в частности, с помощью трубопровода или системы труб) топлива в камеру сгорания, получение входного давления воздуха (PT7) на входе компрессора (например, где воздух поступает в компрессор), получение входной температуры воздуха (Tinlet) на входе компрессора, получение выходного давления воздуха (PT8) на выходе компрессора (например, где сжатый воздух выходит из компрессора и/или входит в камеру сгорания), получение сигнала отбора воздуха (THBOV), указывающего на количество воздуха, не поданного в камеру сгорания (это количество воздуха может быть отделено после компрессора и выше по потоку от камеры сгорания), оценивание подвода тепла (например, теплового ввода, теплотворной способности, значения энергии, HIengmodel) топлива (такого как флюид, в частности, газ и/или жидкость), подаваемого в камеру сгорания, на основании входного давления воздуха, входной температуры воздуха, выходного давления воздуха и сигнала отбора воздуха (THBOV), сравнение (например, с использованием арифметического/ логического вычисления) оцененного подвода тепла с требуемым подводом тепла (например, планируемым подводом тепла, FFDEM), чтобы получить сигнал ошибки, и управление топливным клапаном (или множеством топливных клапанов), регулирующим подачу (например, расход) топлива в камеру сгорания, на основе сигнала ошибки.

Подвод тепла к двигателю может быть измерен в кВт и может представлять количество энергии (химической или энергии сгорания), содержащейся в смеси топлива и сжатого воздуха, в единицу времени. Подвод тепла (тепловыделение) может быть, например, определен посредством LCV, умноженной на массовый расход или объемный расход.

Нижняя калорийность LCV топлива является ‘удельной’ величиной (на единицу массы или единицу объема топлива) в кДж/кг или кДж/м^3. В контексте данного документа и способа LCV может быть объемной, поэтому выражается в единицах кДж/(нормальный_м^3) (нормальный м^3 является объемом газа при 0 градусов Цельсия при давлении ISO (Международной организации по стандартизации)), и индекс Воббе может быть определен как объемная LCV/корень(SG).

Газовая турбина может содержать одну или более камер сгорания, которые расположены вокруг вращающегося вала газовой турбины, в частности, равномерно распределены по окружности относительно друг друга. Газовая турбина может содержать секцию компрессора, в котором воздух, отбираемый из окружающей среды, сжимается множеством вращающихся лопастей, которые могут быть соединены с вращающимся валом газовой турбины. Камера сгорания или камеры сгорания газовой турбины могут быть расположены на выходе из компрессора, где сжатый воздух выпускается из компрессорной секции газовой турбины. Камера сгорания может содержать один или более входов, чтобы позволить подачу сжатого воздуха в камеру сгорания. Топливо может подаваться в камеру сгорания с помощью системы труб или трубопровода, в котором может быть установлен топливный клапан, чтобы регулировать расход (например, массовый поток, объемный поток) топлива, протекающего через систему труб в камеру сгорания. В камере сгорания смесь подаваемого топлива и сжатого воздуха может сжигаться.

Выхлоп отработавшей смеси топлива и сжатого воздуха может быть выведен камерой сгорания и подан в турбинную секцию газовой турбины, расположенной ниже по потоку относительно камеры сгорания. Турбинная секция может получить выхлопную отработавшую смесь топлива и сжатого воздуха, которая может иметь высокую скорость и высокую температуру. Выхлопная отработавшая смесь газа и сжатого воздуха может приводить в движение множество лопастей турбинной секции, которые могут быть прикреплены к вращающемуся валу газовой турбины. Таким образом, может быть сгенерирована механическая энергия, в частности, энергия вращения. Вращающийся вал турбины может, например, приводить в действие электрический генератор для выработки электрической энергии из механической энергии.

Входное давление воздуха, входная температура воздуха и/или выходное давление воздуха могут быть измеренными значениями или значениями, которые могут быть получены на основе других значений или величин. Например, входное давление воздуха может быть измерено не непосредственно в месте входа компрессора, но может быть измерено в месте ином, чем на входе компрессора, и давление воздуха в месте входа компрессора может быть получено из измерения давления воздуха, выполненного в месте ином, чем место входа компрессора. Таким образом, физическая конструкция или конструкция двигателя, а также рабочее условие может быть принято во внимание. Аналогично, также входная температура воздуха и/или выходное давление воздуха могут быть измерены не непосредственно на входе компрессора или выходе компрессора, соответственно, но в местах иных, чем этих позиции, и входная температура воздуха и выходное давление воздуха, соответственно, могут быть получены из этих измерений, в частности, с использованием физической (термодинамической) модели.

Калорийность может относиться к количеству тепла, выделяющемуся при сгорании определенного количества топлива. Калорийность (также упоминается как теплотворная способность или энергетическая ценность) может быть выражена в единицах энергии на единицу топлива, в частности, измеряется в единицах энергии на единицу массы, таких как кДж/кг. Калорийность может, в частности, относиться или быть эквивалентной низшей теплотворной способности или низшей калорийности (LCV), которая определяется путем вычитания тепла испарения водяного пара из высшей теплотворной способности. Таким образом, принимается во внимание, что энергия, необходимая для испарения воды, не реализуется как тепло при сгорании топлива и сжатого воздуха внутри камеры сгорания.

Величина, известная как низшая теплота сгорания (LHV) (теплота сгорания нетто (LCV) или низшая калорийность (LCV)), может быть определена путем вычитания тепла испарения водяного пара из высшей теплоты сгорания. Это учитывает любую H20, образованную в виде пара. Поэтому энергия, необходимая для испарения воды, не реализуется в виде тепла. Расчеты LHV предполагают, что водный компонент процесса сгорания находится в парообразном состоянии в конце сгорания, в отличие от высшей теплоты сгорания (HHV) (также известной как высшая калорийность или высшая CV), которая предполагает, что вся вода в процессе сгорания находится в жидком состоянии после процесса сгорания. LHV предполагает, что скрытая теплота парообразования воды в топливе и продуктах реакции не восстанавливается. Это полезно при сравнении топлив, где конденсация продуктов сгорания не пригодна для использования, или тепло при температуре ниже 150°С не может использоваться.

Высшая теплота сгорания (HHV) или высшая калорийность или теплотворная способность (HVC) определяется путем приведения всех продуктов сгорания (подаваемого топлива и сжатого воздуха) обратно к исходной температуре перед сгоранием и, в частности, конденсации любого производимого пара. В частности, высшая теплота сгорания является тем же самым, что термодинамическая теплота сгорания.

В частности, если топливо заменяется на другое топливо во время работы газовой турбины, калорийность может измениться на другую калорийность, что может повлиять на механическую мощность газовой турбины и, следовательно, может потребовать управления топливным клапаном и что может, в частности, потребовать изменения расхода другого топлива по сравнению с расходом ранее применявшегося топлива, чтобы поддерживать стабильную механическую мощность газовой турбины.

Сигнал ошибки может быть, в частности, получен путем формирования разности между оцененным подводом тепла и требуемым подводом тепла. Требуемый подвод тепла может быть установлен с помощью регулятора двигателя или с помощью системы управления двигателем, и требуемый подвод тепла может быть, в частности, основан на требуемой механической мощности и/или требуемой скорости вращения и/или требуемой нагрузке и т.д. газовой турбины. Регулирование, в частности, может быть выполнено с использованием замкнутого контура управления.

Предлагаемый способ управления может не требовать измерения калорийности, например, с помощью калориметра, который, по оценкам, является очень громоздким и слишком медленным для эффективного управления двигателем. Обычные калориметры могут предоставлять обновленную информацию относительно измеренной калорийности, которая требует обработки образца топлива в течение от 3 мин до 30 мин в зависимости от калориметра. Кроме того, использование калориметра вводит зависимость от калориметра для успешной работы двигателя. Путем оценки подвода тепла (или калорийности, которая может, в частности, непосредственно или косвенно быть получена из подвода тепла, например, когда массовый расход или объемный расход известен) от топлива с использованием предложенного способа этот недостаток можно преодолеть.

Способ управления может также применять соотношение между выходной мощностью двигателя (в частности механической выходной мощностью) и ожидаемым углом топливного клапана, чтобы сравнивать ожидаемый угол по отношению к текущему значению в процессе работы и регулировать давление подачи топлива, следовательно, плотность, чтобы обеспечивать нормальные углы топливного клапана. Кроме того, пределы рабочего диапазона, основанные на определенных углах топливного клапана, могут обеспечить приемлемое управление. Если вид или тип, или состав топлива изменяется, топливный клапан может управляться на основе калорийности или индекса Воббе, полученных из сигнала ошибки между оцененным подводом тепла и требуемым подводом тепла, чтобы получить рабочее условие или рабочий режим, в частности, в отношении механической выходной мощности газовой турбины, которая соответствует требуемому рабочему режиму.

Таким образом, в случае, когда отсутствует управление в связи с составом или видом, или типом топлива, газовая турбина может работать, как требуется.

Онлайн-калориметры или газовые хроматографы могут быть предоставлены для измерения LCV и SG топлива, ввода данных в программное обеспечение управления двигателем. Эти устройства могут работать с циклом обновления в несколько минут, что не согласуется с допустимой скоростью изменения состава топлива, что ставит под угрозу работу между обновлениями. Кроме того, надежность таких устройств не всегда достаточна, чтобы обеспечить договорные ключевые показатели производительности (KPI) во время работы.

Форма вычисления, используемая модулем управления подачей топлива, может потребовать значений LCV и SG в качестве входных значений. Однако вычисление пропорционально LCV и 1/корень (SG), что эквивалентно индексу Воббе (WI), делая ненужными точные данные SG, если WI может быть определен. Двигатель и система управления могут быть использованы в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения для оценки WI топлива и могут обеспечивать более быстрое обновление, при условии двигателя, работающего при стационарных температурах перед оценкой. Таким образом, изменение топлива с последующим переходным процессом нагрузки может быть учтено с помощью этой оценки. Однако фундаментальная точность этого способа может быть ниже, чем в калориметре, так что он может быть использован в сочетании с калориметром, а не вместо калориметра.

Количество воздуха, не подаваемое в камеру сгорания, может быть воздухом, извлеченным перед сжиганием, чтобы поддерживать температуру на выходе камеры сгорания в определенном температурном диапазоне или на конкретной температуре, и/или с целью контроля выбросов (например, типа и/или концентрации продуктов реакции) газовой турбины. В частности, при очень высокой нагрузке никакой воздух не может быть извлечен перед камерой сгорания, и весь воздух с выхода компрессора (кроме того, что необходимо для охлаждения компонентов турбины) может быть подан в камеру сгорания. Кроме того, при конкретных рабочих условиях или обстоятельствах, сжатый воздух может также быть использован в изменяющемся количестве, чтобы охлаждать конкретные компоненты газовой турбины. Путем подачи различных количеств воздуха в камеру сгорания можно влиять на оценку подвода тепла (тепловыделения) топлива. В частности, принимая во внимание, что конкретное количество воздуха не подается в камеру сгорания, можно повысить точность оценки тепловыделения топлива таким образом, что оцененное тепловыделение топлива более точно выражает или равно фактическому тепловыделению топлива.

Таким образом, газовая турбина может лучше управляться для достижения требуемого рабочего режима.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, сигнал отбираемого воздуха включает установку выпускного клапана.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, оценка тепловыделения содержит формирование отношения давлений (PRC87) между выходным давлением воздуха (PT8) и входным давлением воздуха (PT7) и оценку тепловыделения на основе отношения давлений.

Отношение давлений может быть подходящей величиной, чтобы оценивать тепловыделение. Таким образом, способ может быть упрощен.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, оценка тепловыделения на основе отношения давлений содержит использование по меньшей мере одного подбора (аппроксимации) кривой на основе множества измерений, выполненных на по меньшей мере одной газовой турбине, причем подбор кривой связывает измеренное отношение давлений с измеренным тепловыделением, где подбор кривой, в частности, описывается полиномом второго порядка, имеющим положительный первый коэффициент (коэффициент полинома, умноженный на отношение давлений) и положительный второй коэффициент (коэффициент полинома, умноженный на квадрат перепада давлений), причем представление подбора кривой, в частности, хранится в электронном хранилище.

В частности, множество точек измерения может быть получено из измерений, выполняемых на по меньшей мере одной газовой турбине, и точки измерения могут быть изображены на графике, имеющем абсциссу, обозначающую отношение давлений, и имеющем ординату, обозначающую тепловыделение или расход топлива при тепловыделении в единицах ватт (Вт). По меньшей мере один подбор кривой может быть получен путем аппроксимации наименьших квадратов точек измерения полиномом, в частности полиномом второго порядка, который описывает расход топлива при тепловыделении в виде суммы свободного члена, первого коэффициента, умноженного на отношение давлений, и второго коэффициента, умноженного на квадрат отношения давлений.

Использование экспериментальных измерений может позволить получить очень точное соотношение между отношением давлений и тепловыделением из потока топлива. Таким образом, способ может быть улучшен в отношении точности оцениваемого тепловыделения.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере один подбор кривой содержит: первый подбор кривой, получаемый на основе данных измерения, где никакой воздух не отбирается выше по потоку от камеры сгорания, второй подбор кривой, получаемый на основе данных измерений, где часть, в частности, от 5% до 15% воздуха, была отобрана выше по потоку от камеры сгорания, причем на основе первого подбора кривой получают первое тепловыделение, и причем на основе второго подбора кривой получают второе тепловыделение, при этом на основе первого тепловыделения и второго тепловыделения получают оцененное тепловыделение.

Рассмотрение двух случаев, когда никакой воздух не отбирался выше по потоку относительно камеры сгорания, и когда часть воздуха отбиралась выше по потоку относительно камеры сгорания, может привести к улучшению точности оценки тепловыделения. В частности, первое тепловыделение и второе тепловыделение соответствуют условию, когда никакой воздух не отбирался выше по потоку относительно камеры сгорания, и когда часть воздуха отбиралась выше по потоку относительно камеры сгорания, соответственно.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, способ дополнительно содержит: получение скорректированного тепловыделения с использованием первой функции, содержащей первое тепловыделение и второе тепловыделение, если отношение давлений превышает пороговое значение, причем пороговое значение находится, в частности, между 4 и 8; получение скорректированного тепловыделения с использованием второй функции, содержащей по меньшей мере первое тепловыделение, если отношение давлений не превышает пороговое значение, причем оценивание тепловыделения дополнительно основано на скорректированном тепловыделении.

Первая функция может быть математической функцией для получения скорректированного тепловыделения в зависимости от первого тепловыделения и второго тепловыделения только в том случае, когда отношение давлений выполняет критерий превышения порогового значения. Кроме того, скорректированное тепловыделение может быть получено как вторая математическая функция в зависимости от только или по меньшей мере первого тепловыделения, когда отношение давлений не удовлетворяет критерию, таким образом, не превышает пороговое значение.

Таким образом, влияние отбора воздуха перед камерой сгорания может быть учтено более точно. В частности, если отношение давлений превышает пороговое значение, влияние отобранного воздуха может быть выше, чем когда отношение давлений не превышает пороговое значение.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, способ дополнительно содержит оценку части воздуха, отбираемого выше по потоку от камеры сгорания на основании установки выпускного клапана, в частности, с использованием характеристики выпускного клапана, причем первая функция содержит оцененную часть отобранного воздуха.

Выпускной клапан может содержать один или более клапанов, расположенных в разных местах выше по потоку от камеры сгорания, или в пределах от компрессорной секции газовой турбины. Характеристики выпускного клапана могут быть представлены в виде таблицы, графика, справочной таблицы или тому подобного и могут храниться в электронном хранилище. Характеристика выпускного клапана может указывать, что поток в процентах воздуха равен нулю в первом диапазоне углов клапана, и она может указывать, что поток в процентах воздуха увеличивается линейно во втором диапазоне углов клапана, смежном с первым диапазоном углов клапана. При использовании установки выпускного клапана, определение количества воздуха, выпускаемого выше по потоку относительно камеры сгорания, может быть улучшено в отношении точности.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения способ содержит вычисление оцененного тепловыделения из скорректированного тепловыделения, входного давления воздуха (PT7) и входной температуры воздуха (Tinlet).

Оцененное тепловыделение может быть получено с использованием математической формулы, в которой, в частности, скорректированное тепловыделение умножается на входное давление воздуха и умножается на квадратный корень из члена, содержащего входную температуру воздуха.

Таким образом, оцененное тепловыделение может быть вычислено точным способом из доступных входных величин.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, топливный клапан управляется с помощью PI-регулятора, на который сигнал ошибки подается в качестве входного сигнала, причем способ, в частности, содержит получение объемного удельного тепловыделения (также упоминаемого как индекс Воббе, который может быть основан на объемной LCV) для топлива на основе сигнала ошибки, и передачу полученного удельного объемного тепловыделения к топливному клапану, причем на основе полученного массового удельного тепловыделения топливный клапан регулируется для управления подачей топлива.

Индекс Воббе (WI) или число Воббе является индикатором взаимозаменяемости топливных газов, таких как природный газ, сжиженный нефтяной газ (LPG) и коммунальный газ, и часто определяется в спецификациях коммунального оборудования поставок газа и транспорта. Если два топлива имеют одинаковые индексы Воббе, то для заданных настроек давления и клапанов выход энергии может быть одинаковым.

PI-регулятор может рассматриваться в качестве конкретной реализации регулятора замкнутого контура. Объемное удельное тепловыделение может, в частности, вычисляться как калорийность, в частности, низшая калорийность (теплотворность), деленная на квадратный корень из удельного веса. Удельный вес может быть массовой плотностью топлива, отнесенной к массовой плотности воды. Таким образом, способ может быть упрощен.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, способ дополнительно содержит: установку клапана на расход топлива таким образом, что сигнал ошибки равен нулю, при этом способ содержит затем подачу другого топлива в камеру сгорания, причем другое топливо отличается от упомянутого топлива, получение другого входного давления воздуха (РТ7) на входе компрессора, получение другой входной температуры воздуха (Tinlet) на входе компрессора, получение другого выходного давления воздуха (PT8) на выходе компрессора, оценивание другого тепловыделения (HIengmodel) другого топлива, подаваемого в камеру сгорания, на основе другого входного давления воздуха, другой входной температуры воздуха и другого выходного давления воздуха, сравнение другого оцененного тепловыделения с требуемым тепловыделением, чтобы получить другой сигнал ошибки, и управление клапаном на основе другого сигнала ошибки таким образом, что клапан устанавливается на другой расход другого топлива, отличающийся от расхода ранее применявшегося топлива.

Таким образом, способ может использоваться в ситуации, когда топливо меняется на другое топливо, причем состав, вид или тип топлива может отличаться от состава, вида или типа другого топлива. В частности, калорийность топлива и другого топлива может отличаться одна от другой. Изменение калорийности вследствие перехода от одного топлива к другому топливу может обнаруживаться и может использоваться, чтобы изменять регулировку топливного клапана для поддержания требуемого тепловыделения или для поддержания требуемой механической выходной мощности. Таким образом, способ управления может поддерживать дополнительные рабочие условия по сравнению с обычным способом управления.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, другой расход выше, чем упомянутый расход, если другая калорийность ниже, чем упомянутая калорийность.

В частности, требуемое тепловыделение может поддерживаться, даже если топливо изменяется на другое топливо. Таким образом, плавная работа газовой турбины может быть реализована, и стабильность работы может быть улучшена.

Следует понимать, что признаки, которые по отдельности или в любой комбинации раскрыты, применяются, описаны или упомянуты в контексте способа управления подачей топлива в камеру сгорания, могут также быть применены по отдельности или в любой комбинации с устройством для управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины, содержащей компрессор выше по потоку относительно камеры сгорания, и, наоборот, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения предусматривается устройство для управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины, содержащей компрессор выше по потоку относительно камеры сгорания, причем устройство содержит: топливный клапан, выполненный с возможностью подачи топлива в камеру сгорания, процессор (например, в вычислительном устройстве), выполненный с возможностью получения входного давления воздуха (PT7) на входе компрессора, получения входной температуры воздуха (Tinlet) на входе компрессора, получения выходного давления воздуха (PT8) на выходе компрессора, получения сигнала отбора воздуха (THBOV), указывающего количество воздуха, не поступающего в камеру сгорания, оценивания тепловыделения (HIengmodel) топлива, подаваемого в камеру сгорания, на основе входного давления воздуха, входной температуры воздуха, выходного давления воздуха и сигнала отбора воздуха (THBOV), сравнения оцениваемого тепловыделения с требуемым тепловыделением (FFDEM), чтобы получить сигнал ошибки, и управления топливным клапаном, регулирующим подачу топлива в камеру сгорания, на основе сигнала ошибки.

В частности, низшая калорийность (теплотворность) и удельный вес могут быть объединены в форме индекса Воббе (WI). Таким образом, регулировка клапана может быть выполнена в течение "стабильной" работы двигателя, когда полученные параметры РТ7, PT8, Tinlet существенно не изменились в течение нескольких минут, в частности, в течение интервала времени в диапазоне от 1 минуты до 20 минут.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, предусмотрена газовая турбина, содержащая устройство для управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения, используется простая модель тепловой эффективности двигателя в качестве характеристической функции входной температуры турбины (TIT), т.е. температуры отработавшей смеси топлива и сжатого воздуха, которая вводится в турбинную секцию газовой турбины для приведения в действие вращающегося вала, чтобы оценивать тепловыделение топлива, которое подается в камеру сгорания. Таким образом, входная температура турбины может быть обеспечена существующими алгоритмами управления или алгоритмами вычисления или может быть обеспечена посредством измерений. Оцененное тепловыделение топлива может затем сравниваться с требуемым тепловыделением, которое требуется от модуля управления подачей топлива газовой турбины или которое может требоваться регулятором двигателя. Разница может затем использоваться в качестве члена ошибки в модуле управления интегратором, чтобы регулировать клапан подачи топлива, который регулирует подачу топлива на основе оцененной калорийности, а также на основе удельного веса. В частности, низшая калорийность и удельный вес могут быть объединены в форме индекса Воббе (WI). Модуль управления интегратора может регулировать топливный клапан с целью устранения значения ошибки. Таким образом, подобно одному из описанных выше вариантов осуществления, регулировка клапана может выполняться только во время "стабильной" работы двигателя, когда выходная температура газовой турбины не изменялась значительно в течение нескольких минут, в частности в течение интервала времени в пределах от 1 минуты до 20 минут.

В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, способ управления может улучшить стабильность работы газовой турбины, даже если топливо изменяется, или состав топлива изменяется, и при этом переходный режим работы после изменения состава топлива может быть обеспечен независимо от времени обновления любого калориметра, который может быть установлен в месте измерения. Если состав топлива или свойства топлива, в частности низшая калорийность или в общем любое связанное с теплом значение, известны в любое время, возможно, при вводе в эксплуатацию, то эта информация может быть использована для настройки (например, калибровки) способов управления посредством значения подстройки эффективности, вычисленного из разницы между индексом Воббе, полученным путем оценивания, и известным или фактическим значением для топлива.

Варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи. Аспекты, определенные выше, и дополнительные аспекты настоящего изобретения очевидны из примеров осуществления, которые будут описаны далее и поясняются со ссылкой на примеры варианта осуществления. Далее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на примеры варианта осуществления, которыми, однако, изобретение не ограничивается.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 схематично иллюстрирует устройство для управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, которое приспособлено для выполнения способа управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 2 схематично иллюстрирует модель двигателя, которая используется в устройстве, показанном на фиг. 1, и которая используется в способе управления подачей топлива в камеру сгорания согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 3 схематично иллюстрирует график для определения значения потока тепловыделения в газотурбинный двигатель в зависимости от отношения давлений воздуха, который может быть использован в способе и/или в устройстве для управления подачей топлива в камеру сгорания в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 4 иллюстрирует график характеристик выпускного клапана для стравливания воздуха выше по потоку относительно камеры сгорания, зависимость которого используется в устройстве и/или в способе управления подачей топлива в камеру сгорания в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 5 схематично иллюстрирует схему вычисления индекса Воббе калориметра, которая может быть использована в устройстве и/или в способе управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины согласно варианту осуществления настоящего изобретения; и

Фиг. 6 схематично иллюстрирует вычисление подстроечного коэффициента калориметра, которое может быть использовано в способе и/или в устройстве для управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг. 1 схематично иллюстрирует устройство 100 для управления подачей топлива в камеру 101 сгорания газовой турбины согласно варианту осуществления настоящего изобретения, которое приспособлено для выполнения способа управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Устройство 100 содержит топливный клапан 103, приспособленный для подачи топлива 105 в камеру 101 сгорания (газовой турбины), причем топливо 105 подается через топливопровод. Кроме того, устройство 100 содержит процессор 107, который приспособлен для получения входного давления PT7 воздуха, которое относится к давлению воздуха на входе компрессора, получения входной температуры Tinlet воздуха, которая относится к температуре воздуха на входе компрессора, и получения выходного давления PT8 воздуха, которое относится к давлению воздуха на выходе компрессора. Таким образом, значения входного давления PT7 воздуха, входной температуры Tinlet воздуха и выходного давления PT8 воздуха также могут упоминаться как значения 109 свойств по меньшей мере одного физического свойства воздуха, используемого для сжигания топлива в камере сгорания.

Процессор 107 дополнительно выполнен с возможностью получения сигнала THBOV отбора воздуха, в частности, установки выпускного клапана или, в частности, угла выпускного клапана, который указывает на количество воздуха, не поданное в камеру 101 сгорания, содержащуюся в газовой турбине. В других вариантах осуществления отборы воздуха не используются, и весь воздух подается в камеру сгорания. Значение 109 свойства по меньшей мере одного физического свойства воздуха, используемого для сжигания топлива в камере сгорания, включает в себя вышеуказанные значения физических величин. Значения 109 свойств подаются на модель 111 двигателя, которая приспособлена для оценки тепловыделения HIengmodel топлива 105, подаваемого в камеру 101 сгорания, на основе значений 109 свойств по меньшей мере одного физического свойства воздуха.

Оцененное тепловыделение HIengmodel подается на арифметический элемент 113, который предусмотрен для применения подстроечного коэффициента HIcaltrim к оцененному тепловыделению HIengmodel в соответствии с конкретным вариантом осуществления настоящего изобретения, в котором определяется измерение калориметра для определения измеренной калорийности (теплотворности) или индекса Воббе.

В соответствии с альтернативным вариантом осуществления, измерение калориметра не используется, и в этом случае подстроечный коэффициент HIcaltrim установлен на единицу, так что скорректированное оцененное тепловыделение HIexpected равно оцененному тепловыделению HIengmodel согласно этому варианту осуществления.

Скорректированное оцененное тепловыделение HIexpected подается на арифметический суммирующий элемент 115, который вычитает из скорректированного оцененного тепловыделения HIexpected требуемое тепловыделение FFDEM, которое требуется регулятором 117 двигателя, который также подает соответствующий управляющий сигнал 119 к топливному клапану 103. В частности, управляющий сигнал 119 может представлять требуемое тепловыделение FFDEM, сгенерированное с использованием регулятора 117 двигателя.

Суммирующий арифметический элемент 115 выводит сигнал 121 ошибки, который, таким образом, получен из оцененного тепловыделения HIengmodel или скорректированного оцененного тепловыделения HIexpected и требуемого тепловыделения FFDEM. Сигнал 121 ошибки подается на интегрирующий элемент 123, который в общем случае может быть осуществлен как PI-регулятор. Интегрирующий элемент 123 интегрирует сигнал 121 ошибки по времени и выводит массовое удельное тепловыделение (в частности, индекс Воббе) WIengcal, представляющее оцененный индекс Воббе топлива, причем оценивание использует модель 111 двигателя, которая будет описана более подробно ниже. По управляющей линии 125, полученное массовое тепловыделение WIengcal подается на топливный клапан 103, на основании чего топливный клапан 103 регулирует расход топлива 105, чтобы минимизировать или исключить сигнал 121 ошибки.

В соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретением, в дополнение к оценке индекса Воббе WIengcal с использованием модели 111 двигателя, измеренная калорийность (тепловыделение) LCVmea используется для вычисления измеренного индекса Воббе WIcalorimeter, который подается по управляющей линии 127 и при обстоятельствах подается на топливный клапан 103, чтобы подстроить оцененный индекс Воббе WIengcal. Вычисление измеренного индекса Воббе WIcalorimeter будет описано ниже со ссылкой на фиг.5.

Кроме того, измеренный индекс Воббе WIcalorimeter используется для того, чтобы получить подстроечный коэффициент HIcaltrim, который подается на арифметический элемент 113, чтобы корректировать оцененное тепловыделение HIengmodel, чтобы получить скорректированное оцененное тепловыделение HIexpected, как будет описано ниже со ссылкой на фиг. 6.

Фиг. 2 схематично иллюстрирует модель 211 двигателя, в соответствии с которой модель 111 двигателя, показанная на фиг. 1, может быть реализована в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Выходное давление PT8 воздуха, представляющее давление воздуха на выходе компрессора, принимается арифметическим элементом 229 умножения/деления. Кроме того, арифметический элемент 229 умножения/деления получает в качестве делителя входное давление PT7 воздуха, представляющее давление на входе компрессора. Элемент 229 умножения/деления выводит отношение PRC87 (PT8/PT7) давлений, которое подается на вход элемента 231 вычисления тепловыделения, который также может упоминаться как элемент HI-вычисления. В элементе 231 HI-вычисления вычисляется первое тепловыделение HInoBLEED и дополнительно вычисляется второе тепловыделение HI10%BLEED. Таким образом, первое тепловыделение и второе тепловыделение вычисляются в соответствии с формулами:

Вычисление тепловыделения:

Вычислить ISO-скорректированное тепловыделение как функцию отношения давлений, PRC87, для нулевого и 10%-го выпуска:

HInoBLEED = а2 * PRC87^2 + a1 * PRC87 + a0

HI10%BLEED = b2 * PRC87^2 + b1 * PRC87 + b0

Уравнения здесь являются специфическими для конкретной газовой турбины. Другие системы могут использовать различные коэффициенты и/или различные доли выпуска, которые могут быть определены с помощью известных способов.

Эти конкретные формулы выведены на основе множества измерений, выполненных на по меньшей мере одной газовой турбине, что будет описано более подробно со ссылкой на фиг. 3 ниже. Первое тепловыделение HInoBLEED и второе тепловыделение HI10%BLEED подаются на блок 233 вычисления эффекта выпуска, который также принимает сигнал THBOV отбора воздуха, который указывает количество воздуха, не поступающего в камеру сгорания. Отбор воздуха может быть выполнен из питающей магистрали в камеру сгорания, непосредственно выше по потоку относительно камеры сгорания, и из той же камеры давления, из которой было получено или измерено выходное давление воздуха.

Блок 233 вычисления эффекта выпуска учитывает, если часть сжатого воздуха фактически не подается в камеру сгорания. Таким образом, процент выпуска вычисляется в соответствии со следующими формулами:

Вычислить %-й выпуск (массовый расход воздуха на входе двигателя), Bleed%, из THBOV, на основе упрощенных характеристик клапана:

если THBOV <= 10, Bleed% = 0

если THBOV > 10, Bleed% = (THBOV - 10)/0,7

Эти уравнения могут быть специфическими для газовой турбины в этом примере. Другие двигатели могут использовать различные коэффициенты или формы.

Кроме того, блок 233 вычисления эффекта выпуска вычисляет, после оценки процента отобранного воздуха, скорректированное тепловыделение HIiso из первого тепловыделения и второго тепловыделения с использованием первой функции или второй функции в зависимости от того, является ли отношение PRC87 давлений большим, чем пороговое значение, или нет. Пороговое значение может быть выбрано в зависимости от применения и газовой турбины и может быть равно, например, 6. Таким образом, вычисление производится по следующим формулам:

Вычислить ISO-скорректированное тепловыделение путем линейной интерполяции

если PRC87 > 6, HIiso = HIISOnoBleed + Bleed%/10 *

(HIISO10%Bleed - HIISOnoBleed)

если PRC87 <= 6, HIiso = HIISOnoBleed

Уравнения здесь могут быть специфическими для газовой турбины в данном примере. Другие двигатели могут использовать различные уравнения или различные коэффициенты.

Блок 233 вычисления эффекта выпуска, таким образом, выводит скорректированное тепловыделение HIiso и подает его на элемент 235 внешней коррекции, который дополнительно принимает входную температуру Tinlet воздуха и, кроме того, входное давление PT7 воздуха, которое уже подавалось в арифметический элемент 229. При этом оцененное тепловыделение HIengmodel вычисляется блоком 235 внешней коррекции в соответствии со следующей формулой:

Вычислить текущее тепловыделение из ISO-скорректированного тепла с использованием входного давления PT7 [бар] воздуха двигателя и температуры Tinlet [градусов Цельсия]

HIEngModel = HIISO * PT7/1,01325 *

sqrt ((Tinlet + 273,15)/288,15)

Оцененное тепловыделение HIengmodel, полученное с использованием модели 201 двигателя, показанной на фиг. 2, может, например, использоваться в устройстве 100 в качестве оцененного тепловыделения HIengmodel.

Фиг. 3 иллюстрирует график для получения двух математических выражений для вычисления первого тепловыделения и второго тепловыделения из отношения PRC87 давлений, которое может быть использовано в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На оси абсцисс 301 указано отношение PRC87 давлений, т.е. PT8/PT7, в то время как на оси ординат 303 указан расход топлива при тепловыделении в единицах Мегаватт (мВт), представляющий тепловыделение топлива. Маленькие ромбики 305 представляют точки измерений отношения давлений в зависимости от потока топлива при тепловыделении, выполненных в газовых турбинах того типа, которые должны управляться данным способом управления, причем воздух не отбирается выше по потоку относительно камеры сгорания. С применением аппроксимации наименьшими квадратами, полином второго порядка, который обозначен ссылочной позицией 307, аппроксимировал данные 305 измерений. Полином второго порядка в отношении PRC87 давлений был использован для вычисления первого тепловыделения в зависимости от отношения PRC87 давлений.

Маленькие квадратики 309 представляют точки измерений, выполненных на газовых турбинах, указывающее отношение PRC87 давлений в зависимости от потока топлива при тепловыделении, при этом 10% воздуха отводилось выше по потоку относительно камеры сгорания. Полином 311 второго порядка аппроксимировал с использованием способа наименьших квадратов данные 309 измерений и использовался для получения второго тепловыделения в элементе 231 HI-вычисления, показанном на фиг. 2.

Фиг. 4 иллюстрирует примерный график характеристик 405 выпускного клапана, специфических для конкретного клапана, который используется в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, чтобы оценивать процент отбираемого воздуха выше по потоку относительно камеры сгорания. На оси абсцисс 401 указан угол воздушного клапана, в то время как на оси ординат 403 указан поток в процентах. Кривая 405 показывает зависимость потока в процентах от угла воздушного клапана. Как можно видеть из фиг. 4, поток в процентах равен 0 для угла воздушного клапана между 0 и 10, и поток в процентах увеличивается линейно в диапазоне угла воздушного клапана между 10 и 17 от потока в процентах, равного от 0 до 10. Таким образом, с использованием угла воздушного клапана, процент отбираемого воздуха может быть оценен в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, как используется в блоке 233 вычисления эффекта выпуска на фиг. 2. Другие клапаны могут иметь различные характеристики.

Фиг. 5 схематично иллюстрирует процедуру 500 вычисления индекса Воббе калориметра, которая может быть использована для получения измеренного индекса Воббе WIcalorimeter, который используется в устройстве 100, показанном на фиг.1, в качестве входной величины, подаваемой по линии 127. Схема 500 вычисления индекса Воббе калориметра иллюстрирует калориметр, который принимает образец 501 топлива 105, которое подается в газовую турбину 101. Образец того же вида топлива, который подается в газовую турбину 101, может браться из питающего трубопровода или системы питающего трубопровода, который может быть длиной в несколько метров, например, от 1 м до 20 м, выше по потоку относительно камеры сгорания. Образец 501 топлива 105 сжигается в контролируемых условиях (например, стандартных условиях) в калориметре 503, и генерируемое тепло измеряется в калориметре 503. Кроме того, калориметр 503 может иметь возможность получения удельного веса SG образца 501 топлива. Из генерируемого тепла вследствие контролируемого сжигания образца 501 топлива, калориметр 503 выводит калорийность, в частности, низшую теплотворность LCV топлива. Таким образом измеренная низшая теплотворность LCVmea, а также удельный вес SGmea подаются в элемент 505 WL-вычисления, который вычисляет из низшей теплотворности LCVmea и удельного веса SGmea измеренный индекс Воббе WIcalorimeter в соответствии со следующей формулой:

Вычисление:

Эта же информация может быть предоставлена из газового хроматографа, расположенного идентично, как в случае калориметра, но который измеряет состав образца газа и позволяет вычислять LCV и SG указанного образца.

Измеренный индекс Воббе может затем подаваться в устройство 100 для управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины 101 в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 6 иллюстрирует схему 600 для определения подстроечного коэффициента HIcaltrim, который может быть использован устройством 100, проиллюстрированным на фиг. 1, в качестве входа в арифметический элемент 113, чтобы вычислять скорректированное оцененное тепловыделение HIexpected из оцененного тепловыделения HIengmodel.

В соответствии со схемой 600, измеренный индекс Воббе (например, полученный с помощью схемы 500, показанной на фиг. 5) WIcalorimeter принимается, вслед за анализом каждого образца с интервалами, определенными оборудованием в схеме 500, суммирующим элементом 601. Кроме того, суммирующий элемент 601 принимает оцененный индекс Воббе WIengcal, который является, например, выходом интегрирующего элемента 123 устройства 100, проиллюстрированного на фиг. 1. Величина WIcaltrim установлена на разность между последними значениями WIcalorimeter и WIengcal. Суммирующий элемент 601 дополнительно принимает предыдущее значение величины WIcaltrim для вывода нового значения величины WIcaltrim. Величина WIcaltrim подается в блок 603 вычисления подстройки тепловыделения, который получает подстроечный коэффициент тепловыделения HIcaltrim в соответствии со следующей формулой:

Вычисление HI-подстройки:

Варианты способов управления дополнительно детализированы ниже:

Из термодинамических характеристик двигателя, с использованием простой модели тепловыделения как функции отношения давлений двигателя и потока отбора воздуха, может быть оценено тепловыделение, поставляемое топливом. Сравнение этого значения с текущим потребным тепловыделением системы управления может указывать разность в составе топлива, влияющую на WI. Эта разность затем может быть использована для оценки нового значения WI. При использовании параллельно с калориметром топлива, оценка также может подстраиваться, чтобы поддерживать точность, так что изменения в WI могут быть идентифицированы быстро, но абсолютные значения остаются основанными на калориметре.

Способ может содержать следующие входы (не все должны быть обязательно):

- Требуемое тепловыделение топлива: FFDEM, которое является тепловыделением топлива (обычно в кВт), требуемым регулятором двигателя для топливного модуля для подачи в двигатель.

- Рабочая температура: например Tfire (входная температура турбины на входе турбинной секции, эквивалентная выходной температуре камеры сгорания) из системы управления. Это может быть значение температуры системы управления, эквивалентное выходной температуре камеры сгорания или входной температуре турбины (‘ΤΙΤ’ или ‘ΤΕΤ’).

- Рабочие параметры компрессора:

Входное давление из системы управления (PT7 в бар)

Выходное давление из системы управления (PT8 в бар)

Входная температура из системы управления (Tinlet градусов Цельсия)

Выходная температура из системы управления (TCD градусов Цельсия)

- Угол выпускного клапана (может быть, например, средним, взятым из 2 клапанов): из системы управления. Используется для управления выбросами посредством извлечения воздуха перед сгоранием для поддержания выходной температуры камеры сгорания (THBOV);

- LCV и SG: от газового хроматографа или калориметра – время обновления несколько минут.

Следующие определения/терминология могут применяться:

- WICalorimeter: значение индекса Воббе, полученное из измерений калориметра или газового хроматографа;

- WIEngCal: значение индекса Воббе, оцененное из производительности двигателя ‘калориметром двигателя’;

- HIEngModel: ожидаемое значение вырабатываемого топливом тепловыделения, требуемого для работы двигателя при этом рабочем условии, оцененное непосредственно из модели характеристик двигателя;

- HIExpected: ожидаемое значение вырабатываемого топливом тепловыделения, требуемого для работы двигателя при этом рабочем условии, оцененное из модели характеристик двигателя, но с поправкой на ухудшение двигателя, или выровненное с использованием измерения свойств топлива от калориметра или газового хроматографа;

- HICalTrim: подстроечный коэффициент, полученный из измерений калориметра или модели ухудшения, который должен применяться к значению HIEngModel.

Калориметр или газовый хроматограф может выводить LCV и SG в каждый момент времени обновления. Они могут быть объединены в WI-значение (см. фиг. 5). Обнаружение неисправностей выполняется таким образом, что оба выходных значений от калориметра должны контролироваться, чтобы обеспечивать нахождение этих значений в диапазоне ожидания на основе спецификации топлива на сайте.

Вычисление калориметра двигателя может выполняться следующим образом:

Перед запуском двигателя текущее значение из калориметра может подаваться в модуль топливного клапана, а также используется для инициализации интегратора 123 в ‘калориметре двигателя’. На этой стадии модель двигателя может не использоваться для оценки WI. При запуске двигателя и достижении минимальной нагрузки модель двигателя работает с начальным значением HICalTrim=1 и может обеспечивать оценки тепловыделения. Они могут сравниваться с FFDEM регулятора, чтобы генерировать ошибку 121, которая затем интегрируется путем изменения оцененного WI (WIEngCal). Это значение может предоставляться на топливный модуль 103 вместо непосредственного значения калориметра, в результате чего значение FFDEM от регулятора 117 изменяется, чтобы поддерживать постоянную работу двигателя, таким образом устраняя член ошибки.

При запуске двигателя, если подача топлива изменилась, но питающие магистрали к двигателю заполнены предыдущим составом, то на части пути в течение запуска состав может измениться резко, потенциально превышая пределы и вызывая сбой запуска. Эта ситуация может быть исправлена автоматически при повторном запуске, при условии, что калориметр предоставил обновленное значение. Этого также можно избежать путем продувки питающей магистрали перед запуском. Если калориметр не доступен в начале запуска, может быть использовано последнее значение WIEngCal.

Вычисление калориметра двигателя может осуществляться, только если удовлетворен критерий ‘устойчивого состояния’, как указано ниже:

Критерий устойчивого состояния двигателя:

Записать максимальное (max) и минимальное (min) значения параметра регулирования температуры, например Tfire (температура на входе турбины) в течение повторяющихся 5 минут до текущего времени.

Устойчивое, если Tfiremax - Tfiremin < Tss

где Tss - параметр, первоначально установленный на 20°C.

Вычисление подстройки калориметра может быть выполнено следующим образом, со ссылкой на фиг. 6:

Эта процедура может выполняться один раз при получении обновления от калориметра, при условии, что:

1/ WIEngCal было стабильным в течение по меньшей мере одного интервала обновления калориметр (+/- 2% (регулируемый параметр в системе)) И WICalorimeter = предыдущее значение +/- 2%.

2/ Применение последнего обновления было завершено.

3/ Контроль LCV и SG калориметра подтверждает, что оба значения находятся в определенных местоположением пределах.

80% (регулируемый параметр) изменения в HICalTrim может быть применено медленно, в течение 30 секунд (регулируемый параметр). Это может привести к тому, что в способе никогда не используются два последовательных калориметрических значения, если только изменение не находится в диапазоне стабильности.

Следующие предположения могут применяться:

1/ Форма характеристики нового и чистого двигателя является действительной для всех условий работы двигателя.

2/ Двигатель работает в приближенно стационарном состоянии (термически).

Следует отметить, что термин "содержащий" не исключает других элементов или этапов и указание единственного числа не исключает множества. Также элементы, описанные в связи с различными вариантами осуществления, могут быть объединены. Следует также отметить, что ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны интерпретироваться как ограничивающие объем формулы изобретения.

1. Способ управления подачей топлива в камеру сгорания газовой турбины, содержащей компрессор, расположенный выше по потоку относительно камеры сгорания, причем способ включает:

подачу топлива (105) в камеру (101) сгорания;

получение входного давления (РТ7) воздуха на входе компрессора;

получение входной температуры (Tinlet) воздуха на входе компрессора;

получение выходного давления (PT8) воздуха на выходе компрессора;

получение сигнала (THBOV) отбора воздуха, указывающего количество воздуха, не поступающего в камеру сгорания;

оценивание тепловыделения (HIengmodel, HIexpected) топлива (105), подаваемого в камеру (101) сгорания, на основе входного давления (PT7) воздуха, входной температуры (Tinlet) воздуха, выходного давления (PT8) воздуха и сигнала (THBOV) отбора воздуха;

сравнение оцененного тепловыделения (HIengmodel, HIexpected) с требуемым тепловыделением (FFDEM), чтобы получить сигнал (121) ошибки; и

управление топливным клапаном (103), регулирующим подачу топлива (105) в камеру (101) сгорания, на основе сигнала (121) ошибки.

2. Способ по п. 1, при котором сигнал (THBOV) отбора воздуха содержит установку выпускного клапана.

3. Способ по п. 1 или 2, при котором оценивание тепловыделения включает:

формирование отношения (PRC87) давлений между выходным давлением (PT8) воздуха и входным давлением (РТ7) воздуха, и

оценивание тепловыделения (HIengmodel, HIexpected) на основе отношения давлений.

4. Способ по п. 3, при котором оценивание тепловыделения (HIengmodel, HIexpected) на основе отношения (PRC87) давлений включает использование по меньшей мере одной аппроксимации

кривой (307, 311) на основе множества измерений (305, 309), выполненных на по меньшей мере одной газовой турбине, причем аппроксимация кривой связывает измеренное отношение давлений с измеренным тепловыделением,

причем аппроксимация кривой, в частности, описывается полиномом второго порядка, имеющим положительный первый коэффициент и положительный второй коэффициент, причем представление аппроксимации кривой, в частности, хранится в электронном хранилище.

5. Способ по п. 4, при котором по меньшей мере одна аппроксимация кривой включает:

первую аппроксимацию кривой (307), полученную на основе данных измерения, когда никакой воздух не отбирался выше по потоку относительно камеры сгорания,

вторую аппроксимацию кривой (311), полученную на основе данных измерения, когда часть, в частности, от 5% до 20%, воздуха отбиралась выше по потоку относительно камеры сгорания,

причем на основе первой аппроксимации кривой (307) получают первое тепловыделение (HIisonobleed), а

на основе второй аппроксимации кривой (3011) получают второе тепловыделение (HIiso10%bleed),

при этом на основе первого тепловыделения и второго тепловыделения получают оцененное тепловыделение (HIengmodel, HIexpected).

6. Способ по п. 5, дополнительно включающий:

получение скорректированного тепловыделения (HIiso) с использованием первой функции, содержащей первое тепловыделение (HIisonobleed) и второе тепловыделение (Hiiso10%bleed), если отношение (PRC87) давлений превышает пороговое значение, причем пороговое значение находится, в частности, в пределах между 4 и 8;

получение скорректированного тепловыделения (HIiso) с использованием второй функции, содержащей по меньшей мере первое тепловыделение, если отношение (PRC87) давлений не превышает пороговое значение;

причем оценивание тепловыделения (HIengmodel, HIexpected)

дополнительно основано на скорректированном тепловыделении (HIiso).

7. Способ по п. 6, дополнительно включающий оценивание части (bleed%) воздуха, отобранного выше по потоку относительно камеры сгорания, на основании установки (THBOV) выпускного клапана, в частности, с использованием характеристики (405) выпускного клапана,

при этом первая функция содержит оцененную часть отобранного воздуха.

8. Способ по п. 6 или 7, дополнительно включающий:

вычисление оцененного тепловыделения (HIengmodel, HIexpected) из скорректированного тепловыделения (HIiso), входного давления (PT7) воздуха и входной температуры (Tinlet) воздуха.

9. Способ по п. 1 или 2, при котором топливный клапан (103) регулируют с помощью PI-регулятора (123), на который подается сигнал (121) ошибки в качестве входного сигнала,

причем способ, в частности, дополнительно включает:

получение объемного удельного тепловыделения (WIengcal) для топлива (105) на основе сигнала (121) ошибки; и

передачу полученного объемного тепловыделения (WIengcal) на топливный клапан (103), при этом на основе полученного объемного удельного тепловыделения топливный клапан регулируется для управления подачей топлива (105).

10. Способ по п. 1 или 2, дополнительно включающий:

установку клапана (103) на расход топлива таким образом, что сигнал ошибки равен нулю;

причем способ затем включает:

подачу другого топлива в камеру сгорания, причем другое топливо отличается от упомянутого топлива;

получение другого входного давления (РТ7) воздуха на входе компрессора;

получение другой входной температуры (Tinlet) воздуха на входе компрессора;

получение другого выходного давления (PT8) воздуха на выходе компрессора;

оценивание другого тепловыделения (HIengmodel) другого топлива, подаваемого в камеру сгорания, на основе другого входного давления воздуха, другой входной температуры воздуха и другого выходного давления воздуха;

сравнение другого оцененного тепловыделения с требуемым тепловыделением (FFDEM), чтобы получить другой сигнал (121) ошибки; и

управление клапаном (103) на основе другого сигнала (121) ошибки таким образом, что клапан (103) устанавливается на другой расход другого топлива, отличный от расхода ранее применявшегося топлива.

11. Способ по п. 10, при котором другой расход выше, чем упомянутый расход, если другое оцененное объемное удельное тепловыделение ниже, чем упомянутое оцененное объемное удельное тепловыделение.

12. Способ по п. 10, в котором топливо имеет состав, отличающийся от состава другого топлива.

13. Устройство (100) для управления подачей топлива (105) в камеру (101) сгорания газовой турбины, содержащей компрессор, расположенный выше по потоку относительно камеры сгорания, причем устройство содержит:

топливный клапан (103), выполненный с возможностью подачи топлива (105) в камеру (101) сгорания;

процессор (107), выполненный с возможностью:

получения входного давления (РТ7) воздуха на входе компрессора;

получения входной температуры (Tinlet) воздуха на входе компрессора;

получения выходного давления (PT8) воздуха на выходе компрессора;

получения сигнала (THBOV) отбора воздуха, указывающего количество воздуха, не поступающего в камеру сгорания;

оценки тепловыделения (HIengmodel) топлива (105), подаваемого в камеру (101) сгорания, на основе входного давления воздуха, входной температуры воздуха, выходного давления воздуха и сигнала (THBOV) отбора воздуха;

сравнения оцененного тепловыделения (HIengmodel) с требуемым тепловыделением (FFDEM), чтобы получить сигнал (121) ошибки; и

управления топливным клапаном (103), регулирующим подачу топлива (105) в камеру (101) сгорания, на основе сигнала (121) ошибки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области эксплуатации газовых турбин. В устройстве (60) для регулирования подачи топлива в процессе работы стационарной газовой турбины (40), а также электростанции (42), предусмотрено, чтобы в резервуаре (30) приготавливался объем (BV) топлива с давлением, существенно повышенным по сравнению с давлением в топливной сети (13), и, в случае необходимости, кратковременно подавался в забранное из топливной сети (13) топливо (B) с целью повышения его давления.

Способ для мониторинга системы для приведения в действие изменяемых геометрий турбореактивного двигателя, при этом способ мониторинга содержит этап для определения стабилизированного режима, этап для определения среднего значения управляющего тока в ходе определения стабилизированного режима и этап для сравнения упомянутого среднего значения с предварительно определенным пороговым значением.

Изобретение относится к энергетике. Способ управления работой установки внутреннего сгорания с повышением давления, включающий: нахождение скважности импульсов топливной форсунки и частоты циклов сгорания, которые соответствуют заданной рабочей точке нагрузки и заданному коэффициенту заполнения камеры сгорания установки; определение уставки давления подачи топлива, уставки момента впрыска для топливной форсунки и уставки момента зажигания, которые обеспечивают найденную скважность импульсов топливной форсунки и найденную частоту циклов сгорания; и передачу управляющего сигнала давления подачи топлива, содержащего уставку давления подачи топлива, в устройство обеспечения давления топлива, управляющего сигнала топливной форсунки, содержащего уставку момента впрыска топлива, в топливную форсунку и управляющего сигнала момента зажигания, содержащего уставку момента зажигания, в узел зажигания установки.

Изобретение относится к энергетике. Передатчик хода включает канал для обеспечения прохода текучей среды, исполнительный модуль для увеличения давления в гидравлической жидкости, клапанный модуль, функционирующий в зависимости от давления гидравлической жидкости, при этом клапанный модуль расположен внутри канала для регулирования потока текучей среды, и трубку, соединяющую исполнительный модуль и клапанный модуль для передачи давления гидравлической жидкости между исполнительным модулем и клапанным модулем, при этом исполнительный модуль расположен снаружи канала, а клапанный модуль расположен внутри канала.

Изобретение относится к энергетике. Способ управления положением золотника топливодозирующего устройства для турбинного двигателя как функция заданного значения весового расхода содержит ответ на критерий действительности для выбора весового расхода.

Изобретение относится к способам регулирования авиационных турбореактивных двигателей (ТРД) с изменяемой геометрией выходного устройства. Способ регулирования авиационного ТРД с изменяемой геометрией выходного устройства включает поддержание заданного перепада давления на турбинах в зависимости от температуры воздуха на входе в двигатель и от режима работы двигателя.

Изобретение может быть использовано в системах управления топливоподачей в форсажную камеру сгорания турбореактивным двухконтурным двигателем с форсажной камерой (ТРДДФ) на форсированных режимах.

Камера сгорания предназначена для использования в способе поэтапного изменения подачи топлива, при котором части топлива, подаваемые во множестве мест ввода топлива в камеру сгорания, варьируются в соответствии с требуемой мощностью.

Изобретение относится к области автоматического регулирования газотурбинного двигателя (ГТД), а именно к системам управления режимами работы камеры сгорания изменяемой геометрии, т.е.

Изобретение относится к энергетике. Способ заполнения топливных коллекторов камер сгорания газотурбинного двигателя, включающий заполнение дозированным топливом как минимум одного топливного коллектора камеры сгорания и подачу через его форсунки топлива в камеру сгорания двигателя.
Наверх