專利名稱：用于模擬燃?xì)廨啓C運行的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主題總體上涉及用于燃?xì)廨啓C的控制系統(tǒng)，且更具體地涉及用于使用通過卡爾曼濾波器施加的燃?xì)廨啓C的燃燒產(chǎn)物參數(shù)和其它運行參數(shù)來調(diào)整燃?xì)廨啓C的電子、數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
工業(yè)和發(fā)電燃?xì)廨啓C具有監(jiān)視和控制它們的運行的控制系統(tǒng)(“控制器”)。這些控制器管理燃?xì)廨啓C的燃燒系統(tǒng)和燃?xì)廨啓C的其它運行方面。典型地，控制器執(zhí)行調(diào)節(jié)燃料流量、進(jìn)口導(dǎo)葉(IGV)的角度和其它控制輸入以確保燃?xì)廨啓C的安全和有效運行的調(diào)度(scheduling)算法。燃?xì)廨啓C控制器典型地接收測定運行參數(shù)和期望運行設(shè)置(例如功率輸出、排氣能量等)的輸入值，這些輸入值協(xié)同調(diào)度算法確定用于控制參數(shù)(例如燃料流量、燃燒器燃料分流、IGV角度、進(jìn)口放氣熱流量等)的設(shè)置，以實現(xiàn)燃?xì)廨啓C的期望運行。通常假定由調(diào)度算法對控制參數(shù)規(guī)定的值將使燃?xì)廨啓C在期望狀態(tài)運行，諸如處于期望功率輸出水平并在規(guī)定排放極限內(nèi)運行。因此，調(diào)度算法結(jié)合了與燃?xì)廨啓C有關(guān)的假設(shè)，諸如燃?xì)廨啓C以特定效率、以特定流量和在其它假設(shè)的條件下運行。然而，隨著燃?xì)廨啓C長期運行，構(gòu)件效率趨于劣化并且流量和其它運行條件不同于所假設(shè)的條件。由于這種劣化，調(diào)度算法變得越來越不協(xié)調(diào)并導(dǎo)致燃?xì)廨啓C在日漸背離期望運行狀態(tài)的狀態(tài)下運行。為了修正效率、流量和其它運行條件的變化，必須定期對燃?xì)廨啓C進(jìn)行“調(diào)整”。典型地，這使工程師或技術(shù)人員必須手動調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C，這需要燃?xì)廨啓C離線以使用儀表進(jìn)行調(diào)整。為了防止手動調(diào)整所需的停機時間，美國專利No. 7，742，904 (轉(zhuǎn)讓給通用電氣公司)公開了自動調(diào)節(jié)用于燃?xì)廨啓C的數(shù)學(xué)模型以解決在燃?xì)廨啓C的長期運行期間發(fā)生的變化(例如構(gòu)件效率和流量上的變化)的系統(tǒng)和方法。具體而言，該系統(tǒng)和方法利用模型化和感測到的燃?xì)廨啓C的功率輸出以及其它運行參數(shù)上的差異來生成帶有可用于調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C的數(shù)學(xué)模型的卡爾曼濾波器增益矩陣的修正系數(shù)。然而，雖然這種系統(tǒng)和方法提供了相當(dāng)多的優(yōu)點，但該公開內(nèi)容未提供在直接功率測量不可用時進(jìn)行調(diào)整的數(shù)學(xué)模型。例如，大部分單軸、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)不包括用于直接測量系統(tǒng)的功率輸出的裝置。因此，在技術(shù)上將需要自動調(diào)節(jié)用于燃?xì)廨啓C的數(shù)學(xué)模型而不需要直接測量燃?xì)廨啓C的功率輸出的系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方面和優(yōu)點將在下文的描述中部分地陳述，或者可從該描述變得明顯，或者可通過實踐本發(fā)明而獲悉。在一方面，本發(fā)明主題公開了一種用于模擬燃?xì)廨啓C的運行的方法。該方法通常可包括感測燃?xì)廨啓C的多個第一運行參數(shù)的值；將第一運行參數(shù)應(yīng)用于燃?xì)廨啓C的模型，以生成多個預(yù)測運行參數(shù)；確定預(yù)測運行參數(shù)與燃?xì)廨啓C的相應(yīng)多個感測到的第二運行參數(shù)之間的差值，將誤差修正系統(tǒng)應(yīng)用于差值，以確定修正系數(shù)；以及使用修正系數(shù)來調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C的模型，其中預(yù)測運行參數(shù)包括至少一個預(yù)測燃燒產(chǎn)物參數(shù)并且感測到的第二運行參數(shù)包括至少一個感測到的燃燒產(chǎn)物參數(shù)。在另一方面，本發(fā)明主題公開了一種用于模擬燃?xì)廨啓C的運行的方法。該方法通?？砂ㄊ褂萌?xì)廨啓C的模型來確定至少一個預(yù)測燃燒產(chǎn)物參數(shù)；感測至少一個感測到的燃燒產(chǎn)物參數(shù)；確定該至少一個預(yù)測燃燒產(chǎn)物參數(shù)與該至少一個感測到的燃燒產(chǎn)物參數(shù)之間的差值；將誤差修正系統(tǒng)應(yīng)用于差值，以確定修正系數(shù)；以及使用該修正系數(shù)來調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C的模型。在又一方面，本發(fā)明主題公開了一種用于模擬燃?xì)廨啓C的運行的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通?？砂?gòu)造成感測燃?xì)廨啓C的多個第一運行參數(shù)和多個第二運行參數(shù)的值的多個傳感器。多個第二運行參數(shù)通?？砂ㄖ辽僖粋€感測到的燃燒產(chǎn)物參數(shù)。該系統(tǒng)還可包括與傳感器通信聯(lián)接的控制器。該控制器可構(gòu)造成基于第一運行參數(shù)和多個修正系數(shù)而生成多個預(yù)測運行參數(shù)。該控制器也可構(gòu)造成確定預(yù)測運行參數(shù)與第二運行參數(shù)之間的差值。此外，該控制器可構(gòu)造成將誤差修正系統(tǒng)應(yīng)用于差值，以便生成修正系數(shù)。參考下文的描述和所附權(quán)利要求，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點將變得更好理解。結(jié)合在本說明書中并構(gòu)成本說明書的一部分的附圖示出了本發(fā)明的實施例，并連同描述一起用于解釋本發(fā)明的原理。


在參照附圖的說明書中針對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員陳述了本發(fā)明的完整和能夠?qū)崿F(xiàn)的公開內(nèi)容，包括其最佳模式，在附圖中
圖1示出了聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的一個實施例的示意 圖2示出了燃?xì)廨啓C、燃?xì)廨啓C模型和卡爾曼濾波器模型修正估測器的一個實施例的高級別框圖；以及
圖3示出了類似于圖2所示但包括卡爾曼濾波器模型修正估測器的一個實施例的更詳細(xì)的流程圖的框圖。部件列表 10系統(tǒng)
12燃?xì)廨啓C 14蒸汽輪機 16發(fā)電機 18驅(qū)動軸 20壓縮機 22燃燒器 24渦輪 26引入管 28 導(dǎo)葉 30排放管 32 HRSG系統(tǒng)34控制器 36致動器 38致動器 40燃料控制系統(tǒng) 42傳感器 44傳感器 46燃燒管線 48模型 50基礎(chǔ)輸入 52主輸出 54擴展輸出 56調(diào)整輸入 58誤差修正系統(tǒng)
62比較 64差異信號
66KFGM 68誤差修正系數(shù) 70系數(shù)
72(MSM) (a, h)
74模型 76分析
78歸一化 80計算 82求和 84系數(shù) 86去歸一化 88乘數(shù)。
具體實施例方式現(xiàn)將詳細(xì)參考本發(fā)明的實施例，其一個或更多實例在附圖中示出。各實例作為本發(fā)明的解釋而非本發(fā)明的限制而提供。事實上，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言明顯的是，可以在本發(fā)明中做出各種改型和變型而不偏離本發(fā)明的范圍或精神。例如，作為一個實施例的一部分示出或描述的特征可以與另一實施例聯(lián)用以產(chǎn)生再又一實施例。因此，本發(fā)明旨在涵蓋落入所附權(quán)利要求及其等價物范圍內(nèi)的此類改型和變型?？傮w而言，本發(fā)明主題公開了采用自適應(yīng)燃?xì)廨啓C模型來估測運行的燃?xì)廨啓C的運行參數(shù)的燃?xì)廨啓C控制系統(tǒng)和方法。具體而言，該燃?xì)廨啓C模型可構(gòu)造成估測未由傳感器直接測量或感測的燃?xì)廨啓C的運行參數(shù)，以用于在控制算法中使用。另外，該燃?xì)廨啓C模型可構(gòu)造成估測被直接測量或感測的燃?xì)廨啓C的運行參數(shù)，然后可將這些運行參數(shù)與此類參數(shù)的相應(yīng)測定或感測到的值進(jìn)行比較。根據(jù)本文提供的公開內(nèi)容，這種估測參數(shù)與實際參數(shù)的比較然后可用于在燃?xì)廨啓C繼續(xù)運行時自動調(diào)整模型。例如，在若干個實施例中，燃?xì)廨啓C模型可接收作為輸入?yún)?shù)的測定運行條件(例如環(huán)境壓力、環(huán)境溫度、進(jìn)口壓差、排放壓差、環(huán)境特定濕度、壓縮機進(jìn)口溫度、進(jìn)口導(dǎo)葉角度、進(jìn)口放氣熱流量、燃料流量、燃料溫度、發(fā)電機速度、一級噴嘴面積、發(fā)電機功率系數(shù)和/或類似參數(shù))。燃?xì)廨啓C模型然后可生成用于燃?xì)廨啓C的估測運行參數(shù)。具體而言，根據(jù)本發(fā)明主題的方面，該模型可生成一個或更多估測燃燒產(chǎn)物參數(shù)(例如熱氣體路徑內(nèi)存在的氧氣、二氧化碳、氬氣、一氧化碳、氮氣和/或水的濃度)以及其它估測運行參數(shù)(例如排氣溫度、壓縮機排出壓力、壓縮機排出溫度和/或類似參數(shù))。估測運行參數(shù)然后可協(xié)同相應(yīng)的測定運行參數(shù)用于控制燃?xì)廨啓C。例如，可將測定和估測的運行參數(shù)輸入到控制調(diào)度表，以設(shè)定燃?xì)廨啓C運行狀態(tài)(例如期望的渦輪排氣溫度、總?cè)紵魅剂狭髁?、燃料分流調(diào)度表、進(jìn)口放氣熱流量和/或類似狀態(tài))。另外，測定和估測運行參數(shù)可用于評估模型的精度和/或調(diào)整模型，如下文將描述的。通過利用燃燒產(chǎn)物參數(shù)及其它運行參數(shù)，可控制燃?xì)廨啓C和/或可調(diào)整渦輪的模型而不需要直接的功率測量。因此，所公開的系統(tǒng)和方法可有利地與直接功率測量不可用和/或難以獲得的發(fā)電系統(tǒng)一起使用。例如，在若干個實施例中，本發(fā)明主題可與聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(例如單軸聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng))內(nèi)包括的燃?xì)廨啓C一起使用。然而，應(yīng)了解，所公開的系統(tǒng)和方法通?？膳c任何合適的發(fā)電系統(tǒng)一起使用，包括其中直接功率測量可用的燃?xì)廨啓C系統(tǒng)(例如使用聯(lián)接到渦輪軸上的扭矩計來測量功率輸出的多軸或單軸發(fā)電系統(tǒng))。例如，燃燒產(chǎn)物參數(shù)可與直接功率測量值一起用于進(jìn)一步增強對發(fā)電系統(tǒng)的控制和/或提高燃?xì)廨啓C模型的精度。如下文將描述的，可使用卡爾曼濾波器來定期、自動和實時調(diào)整燃?xì)廨啓C模型。一般而言，卡爾曼濾波器可接收指示來自各種傳感器的測定的運行參數(shù)與從模型輸出的估測運行參數(shù)之間的差異的輸入信號。卡爾曼濾波器也可接收作為輸入的卡爾曼濾波器增益矩陣(KFGM)，該增益矩陣通常對應(yīng)于代表模型估測參數(shù)對模型性能乘數(shù)上的變化的不確定性加權(quán)靈敏度的數(shù)值陣列。具體而言，可通過數(shù)學(xué)方程陣列來計算KFGM。這些方程可接收作為輸入的模型靈敏度矩陣(MSM)以及模型和測量不確定性的估測值?？赏ㄟ^控制常駐燃?xì)廨啓C模型的擾動和評估來實時在線計算MSM?？柭鼮V波器可使用所供應(yīng)的輸入來生成性能乘數(shù)，該性能乘數(shù)然后可用于調(diào)整模型并提高估測燃?xì)廨啓C參數(shù)的精度。例如，卡爾曼濾波器可優(yōu)化乘數(shù)值，以使估測運行參數(shù)與測定運行參數(shù)之間的差異最小化。通過使用卡爾曼濾波器，燃?xì)廨啓C模型可適應(yīng)實際燃?xì)廨啓C的變化的效率、流量和其它參數(shù)。具體而言，卡爾曼濾波器生成的輸出性能乘數(shù)使模型適合于更好地匹配燃?xì)廨啓C的測定參數(shù)。另外，卡爾曼濾波器調(diào)整模型，以例如解決燃?xì)廨啓C在長期運行期間出現(xiàn)的構(gòu)件效率的劣化、稀釋流和空氣流量的變化。應(yīng)了解，由于在線和實時計算MSM和KFGM，所以卡爾曼濾波器結(jié)構(gòu)也可能夠適應(yīng)可用的傳感器的數(shù)量和可用于與模型的估測輸出參數(shù)進(jìn)行比較的測定輸出參數(shù)的類型的變化。例如，當(dāng)諸如由于傳感器失效而不再測量燃?xì)廨啓C的運行參數(shù)時，可對卡爾曼濾波器結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，以解決測定參數(shù)的損失，并因此可基于燃?xì)廨啓C的其余測定條件來繼續(xù)生成性能乘數(shù)?，F(xiàn)參照附圖，圖1示出了聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)10的一個實施例的簡化示意圖?？傮w而言，系統(tǒng)10可包括燃?xì)廨啓C12和構(gòu)造成驅(qū)動發(fā)電機(或其它負(fù)載)的蒸汽輪機14。具體而言，如圖1中所示，燃?xì)廨啓C12、蒸汽輪機14和發(fā)電機16可沿單個驅(qū)動軸18串聯(lián)布置。然而，在備選實施例中，系統(tǒng)10可具有多軸構(gòu)造，其中燃?xì)廨啓C12和蒸汽輪機14可聯(lián)接到單獨的軸上，以便驅(qū)動單獨的負(fù)載(例如單獨的發(fā)電機16)。應(yīng)了解，盡管將系統(tǒng)10示出為包括單個燃?xì)廨啓C12和單個蒸汽輪機14，但聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)10通常可包括任何數(shù)量的燃?xì)廨啓C12和/或蒸汽輪機14。 一般而言，燃?xì)廨啓C12可包括壓縮機20、一個或更多燃燒器22和驅(qū)動地聯(lián)接到壓縮機20上的渦輪24。在燃?xì)廨啓C12運行期間，壓縮機20向燃燒器22供應(yīng)壓縮空氣。壓縮空氣與燃料混合并在燃燒器22內(nèi)燃燒，并且熱燃燒氣體從燃燒器22流向渦輪24，以便使渦輪24轉(zhuǎn)動并例如通過驅(qū)動發(fā)電機16而做功。此外，燃?xì)廨啓C12可包括構(gòu)造成向壓縮機20供給環(huán)境空氣和可能噴射的水的引入管26。引入管26可具有造成流過進(jìn)口 26并進(jìn)入壓縮機的一個或更多進(jìn)口導(dǎo)葉28的環(huán)境空氣的壓力損失的管、過濾器、篩網(wǎng)和/或吸音裝置。此外，燃?xì)廨啓C12可包括構(gòu)造成從渦輪24的出口引導(dǎo)燃燒氣體的排放管30。排放管30可包括吸音材料和向渦輪24施加背壓的排放控制裝置。進(jìn)口壓力損失的量和背壓可由于向管26、30增加構(gòu)件和/或由于堵塞引入管26和排放管30的灰塵和/或污垢而隨著時間變化。如圖1中所示，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)10可包括布置在燃?xì)廨啓C12下游的熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)系統(tǒng)32。如通常應(yīng)理解的，HRSG系統(tǒng)32可構(gòu)造成接收通過排放管30離開渦輪24的經(jīng)加熱的排氣。被引導(dǎo)到HRSG系統(tǒng)32的排氣又可被用作用于生成用來驅(qū)動蒸汽輪機14的高壓、高溫蒸汽的熱源。例如，HRSG系統(tǒng)32可包括用于向蒸汽輪機14的相應(yīng)高壓、中壓和低壓渦輪供應(yīng)蒸汽的高壓、中壓和低壓蒸發(fā)器和加熱器(未示出)。因此，由HRSG系統(tǒng)32產(chǎn)生的蒸汽可驅(qū)動蒸汽輪機14，以允許提取另外的功，以便驅(qū)動發(fā)電機16。此外，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)10還可包括控制器34。一般而言，控制器34可包括能夠如文中所述起作用的任何合適的處理單元(例如計算機或其它計算裝置)。例如，在若干個實施例中，控制器34可包括通用電氣SPEEDTR0NIC燃?xì)廨啓C控制系統(tǒng)，諸如GE Industrial& Power Systems of Schenectady, N. Y.出版的 Rowen, ff.1. , “SPEEDTRONIC Mark VGas Turbine Control System, ” GE-3658D中所述。應(yīng)了解，盡管控制器34通常將在文中被描述為控制燃?xì)廨啓C12的運行，但控制器34也可構(gòu)造成控制系統(tǒng)10的任何其它構(gòu)件諸如蒸汽輪機14、發(fā)電機16和/或HRSG系統(tǒng)32 (如虛線所示)的運行?？刂破?4通?？砂ㄒ粋€或更多處理器，該處理器執(zhí)行程序，諸如存儲在控制器的存儲器中的計算機可讀指令，以使用傳感器輸入和來自人類操作員的指令控制燃?xì)廨啓C12(和/或系統(tǒng)10的任何其它構(gòu)件)的運行。例如，由控制器34執(zhí)行的程序可包括用于調(diào)節(jié)通往燃燒器22的燃料流量的調(diào)度算法。作為另一實例，由控制器34生成的命令可使燃?xì)廨啓C上的致動器例如調(diào)節(jié)燃料供應(yīng)源與燃燒器22之間調(diào)節(jié)流向燃燒器22的燃料的流量、燃料分流和類型的閥(例如致動器36)，調(diào)節(jié)壓縮機20的進(jìn)口導(dǎo)葉28 (例如通過使用致動器38)的角度，和/或啟動用于燃?xì)廨啓C12的其它控制設(shè)置。調(diào)度算法可使控制器34能夠?qū)⒗鐪u輪排氣中的NOx和CO排放物維持在特定的預(yù)定排放極限內(nèi)，并將燃燒器點火溫度維持在預(yù)定溫度極限內(nèi)。因此，應(yīng)了解，調(diào)度算法可采用各種運行參數(shù)作為輸入。控制器34然后可應(yīng)用算法來調(diào)度燃?xì)廨啓C12 (例如設(shè)定期望渦輪排氣溫度和燃燒器燃料分流)，以便滿足性能目標(biāo)同時遵循燃?xì)廨啓C12的可操作性邊界。仍參照圖1，系統(tǒng)10還包括燃料控制系統(tǒng)40，該燃料控制系統(tǒng)構(gòu)造成調(diào)節(jié)從燃料供應(yīng)源流向燃燒器22的燃料、流入主燃料噴嘴和輔助燃料噴嘴的燃料之間的分流和/或與流入燃燒器22的燃燒室的輔助空氣混合的燃料的量。燃料控制系統(tǒng)40也可適合于選擇用于燃燒器22的燃料的類型。應(yīng)了解，燃料控制系統(tǒng)40可構(gòu)造為分開的單元或者可包括主渦輪控制器34的構(gòu)件。另外，在本發(fā)明主題的若干個實施例中，燃?xì)廨啓C12的運行可由檢測燃?xì)廨啓C的各種運行參數(shù)和周圍環(huán)境的多個傳感器42監(jiān)視。在許多例子中，可采用兩個或更多傳感器42來測量相同的運行參數(shù)。例如，多個冗余溫度傳感器42可監(jiān)視環(huán)境空氣溫度、壓縮機進(jìn)口溫度、壓縮機排放溫度、渦輪排氣溫度、燃料溫度和/或流過燃?xì)廨啓C12的流體的其它溫度。類似地，多個冗余壓力傳感器42可監(jiān)視環(huán)境空氣壓力以及壓縮機進(jìn)口和出口處、渦輪排放口處和流體流過燃?xì)廨啓C12的其它位置處的靜態(tài)壓力和動態(tài)壓力水平。此外，多個冗余濕度傳感器42 (例如干濕球溫度計)可測量壓縮機20的引入管26內(nèi)的環(huán)境特定濕度。此外，多個冗余傳感器42還可包括流量傳感器(例如燃料流量傳感器、進(jìn)口放氣熱流量傳感器和/或類似傳感器)、速度傳感器(例如渦輪軸速度傳感器)、火焰探測器傳感器、閥位置傳感器、導(dǎo)葉角度傳感器和/或感測燃?xì)廨啓C12的運行固有的各種其它參數(shù)的類似傳感器。另外，系統(tǒng)10可包括用于測量燃?xì)廨啓C12的燃燒產(chǎn)物參數(shù)的一個或更多燃燒產(chǎn)物傳感器44。如文中所用，術(shù)語“燃燒產(chǎn)物參數(shù)”指的是可用于定義燃?xì)廨啓C12的熱氣體路徑內(nèi)由于燃燒過程而存在的元素和/或化合物中的一種或更多的運行條件的項。例如，在若干個實施例中，燃燒產(chǎn)物參數(shù)可對應(yīng)于熱氣體路徑內(nèi)存在的元素和/或化合物中的一種或更多的濃度，諸如在沿?zé)釟怏w路徑的特定位置處的氧氣、二氧化碳、氬氣、一氧化碳、氮氣、水和/或類似物的濃度。在此類實施例中，燃燒產(chǎn)物傳感器44通?？砂?gòu)造成測量或以其它方式感測此類元素和/或化合物的濃度的任何合適的感測裝置，諸如氧傳感器、二氧化碳傳感器、氬傳感器、一氧化碳傳感器、氮傳感器、水蒸氣傳感器和/或類似傳感器。應(yīng)了解，為了對燃燒產(chǎn)物參數(shù)中的一個或更多進(jìn)行測量，燃燒產(chǎn)物傳感器44通?？刹贾迷谌?xì)廨啓C12的燃燒點46下游的任何合適的位置(即最初發(fā)生燃燒的燃燒器22內(nèi)的特定位置(例如燃燒器22的燃燒室內(nèi)))。因此，在若干個實施例中，燃燒產(chǎn)物傳感器44可布置在燃?xì)廨啓C12內(nèi)的各種位置，諸如位于燃燒器22的一部分上或其內(nèi)(例如燃燒器22的過渡件、渦輪24和/或排放管30上或其內(nèi)，和/或位于燃?xì)廨啓C12下游的各種位置，諸如HRSG系統(tǒng)32上或其內(nèi))。還應(yīng)了解，如文中所用，術(shù)語“參數(shù)”指的是可用于定義燃?xì)廨啓C12的運行條件的項，諸如在燃?xì)廨啓C12中的規(guī)定位置處的溫度、壓力、氣體流量、氣體濃度、渦輪速度、濕度等。一些參數(shù)可進(jìn)行測量(例如使用傳感器42、44)并因此可直接獲知。其它參數(shù)可使用燃?xì)廨啓C模型來估測，并因此可間接獲知。測定和/或估測參數(shù)通?？捎糜诖斫o定的渦輪運行狀態(tài)。此外，應(yīng)了解，上述聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)10僅作為可有利地使用本發(fā)明主題的示例性發(fā)電系統(tǒng)的一個實例提供。因此，所公開的燃?xì)廨啓C控制系統(tǒng)應(yīng)該無需局限于任何特定類型的發(fā)電系統(tǒng)。現(xiàn)參照圖2，根據(jù)本發(fā)明主題的方面示出了燃?xì)廨啓C12(例如上述燃?xì)廨啓C12)和構(gòu)造成實時電子地模擬燃?xì)廨啓C12的若干個運行參數(shù)的自適應(yīng)實時發(fā)動機模擬模型48 (ARES)的一個實施例的高級別框圖。如圖所示，燃?xì)廨啓C12具有文中被稱為“基礎(chǔ)輸入” ( )50的若干個可觀測參數(shù)?；A(chǔ)輸入50可由傳感器(例如傳感器42、44)直接測量并且可包括(而不限于)環(huán)境條件，諸如環(huán)境空氣壓力(PAMB)和環(huán)境空氣溫度(TAMB);進(jìn)口壓差(DP-1nlet)(即環(huán)境空氣壓力與離開引入管26并進(jìn)入壓縮機20的空氣的壓力之間的壓差)；排放壓差(DP-exhaust)(即環(huán)境空氣壓力與流過排放管30的排氣的壓力之間的壓差)；環(huán)境空氣的特定濕度(SPHUM);壓縮機進(jìn)口溫度(CTIM);進(jìn)口導(dǎo)葉28的角度(IGV)；進(jìn)口放氣熱流量(IBH)(即重新引導(dǎo)到壓縮機進(jìn)口的壓縮機流量的百分比)；供應(yīng)到燃燒器22的燃料的流速(W-FUEL);燃料的溫度(T-FUEL);渦輪軸的轉(zhuǎn)速(SPEED);渦輪24的一級噴嘴的有效面積(SlNA);以及發(fā)電機16的功率系數(shù)(PFACT)。所列的基礎(chǔ)輸入50是示例性的且僅為了說明可收集的感測到的輸入的一個實例而提供。因此，應(yīng)了解，模型48的特定基礎(chǔ)輸入50并非本公開內(nèi)容的范圍并且可根據(jù)例如所使用的控制器34的類型、所應(yīng)用的特定模型48和/或可在特定的燃?xì)廨啓C裝置獲得的傳感器(42，44)而變化。還應(yīng)了解，術(shù)語“基礎(chǔ)的”并非暗示或要求上述測定的參數(shù)中的每一者都必須被輸入到文中公開的燃?xì)廨啓C模型48中或者任何這種燃?xì)廨啓C模型48都必須具有這些輸入。因此，基礎(chǔ)輸入50可僅包括上述測定的參數(shù)中的一部分和/或可包括燃?xì)廨啓C12的其它測定的運行參數(shù)。術(shù)語基礎(chǔ)輸入50僅表示對于文中公開的模型48的特定實施例而言，這些輸入可從實際渦輪條件的測量取得并且可作為輸入應(yīng)用于模型48。如圖2中所示 ，基礎(chǔ)輸入50可被輸入到模型48中并且可由模型48用于生成對應(yīng)于燃?xì)廨啓C12的預(yù)測運行參數(shù)的輸出值(和 Mt)52、54。具體而言，輸出值可包括可與燃?xì)廨啓C12的相應(yīng)測定運行參數(shù)()56(即調(diào)整輸入)進(jìn)行比較的主模型輸出()52。另外，模型輸出值可包括對應(yīng)于未直接測量的預(yù)測燃?xì)廨啓C參數(shù)(例如期望燃料流速、功率輸出等)的擴展模型輸出(ext)54。擴展模型輸出54可由控制器34用于諸如通過應(yīng)用期望燃料流速來控制通往燃燒器22的實際燃料流速來運行和/或控制燃?xì)廨啓C12。為了確保模型輸出(和ext)52、54精確地預(yù)測燃?xì)廨啓C12的運行參數(shù)，主模型輸出52和它們相應(yīng)的調(diào)整輸入56可應(yīng)用于構(gòu)造成自動和定期調(diào)整模型48的誤差修正系統(tǒng)58。模型輸出52、54然后可用于控制燃?xì)廨啓C12、計劃維護(hù)和/或預(yù)測燃?xì)廨啓C12的性能。如所圖示的實施例中所示，主模型輸出52可包括但不限于燃?xì)廨啓C12的模型燃燒產(chǎn)物參數(shù)(PC0M_M0D)(例如熱氣體路徑內(nèi)的氧氣、二氧化碳、氬氣、一氧化碳、氮氣和/或水的模擬濃度)、模型渦輪排放溫度(TTXM_M0D)、模型壓縮機排出壓力(CPD_M0D)和模型壓縮機排出溫度(CTD_M0D)。然而，在備選實施例中，應(yīng)了解，主模型輸出52可包括模型燃燒產(chǎn)物參數(shù)(PC0MB_M0D)和既可由模型48預(yù)測又可使用布置在燃?xì)廨啓C12上或其內(nèi)的一個或更多傳感器測量的任何其它合適數(shù)量和/或組合的運行參數(shù)。還應(yīng)了解，如果例如傳感器失效并且對應(yīng)于主模型輸出52的調(diào)整輸入56不再可用于比較，則主模型輸出52可在燃?xì)廨啓C12的運轉(zhuǎn)期間變化。
如上所述，主模型輸出52中的每一個都可對應(yīng)于燃?xì)廨啓C12的測定或感測到的操作參數(shù)()54(即調(diào)整輸入)。例如，在所示實施例中，調(diào)整輸入56包括實際燃燒產(chǎn)物參數(shù)(PC0MB_A)(例如熱氣體路徑內(nèi)的氧氣、二氧化碳、氬氣、一氧化碳、氮氣和/或水的測定濃度)、實際渦輪排放溫度(TTXM_A)、實際壓縮機排出壓力(CPD_A)和實際壓縮機排出溫度(CTD_A)。這些調(diào)整輸入56中的每一者都可基于監(jiān)視燃?xì)廨啓C12的相應(yīng)實際參數(shù)的傳感器(例如傳感器42、44)的輸出信號。如上所述，多個冗余傳感器可觀測每一個測定的參數(shù)。此外，應(yīng)了解，調(diào)整輸入56可因燃?xì)廨啓C而異。因此，可基于例如所使用的控制器34的類型、所應(yīng)用的特定模型48和/或可在特定燃?xì)廨啓C裝置獲得的傳感器(42，44)來選擇調(diào)整輸入56。還應(yīng)了解，模型48通?？砂ㄈ?xì)廨啓C12的計算機實施的數(shù)學(xué)模型。例如，模型48可包括主模型輸出52和擴展模型輸出54的數(shù)學(xué)表示的布置結(jié)構(gòu)，其中這些表示中的每一個都依賴于輸入值(例如基礎(chǔ)輸入32)來生成模型輸出38、40中的一個或更多的估測值。具體而言，在若干個實施例中，模型48可包括燃?xì)廨啓C12的基于物理的航空熱力學(xué)計算機模型、燃?xì)廨啓C12的回歸擬合模型、燃?xì)廨啓C12的神經(jīng)網(wǎng)模型、或燃?xì)廨啓C12的任何其它合適的數(shù)學(xué)模型。還應(yīng)了解，這種模型48的開發(fā)完全在本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員的能力范圍內(nèi)，因此無需在文中描述。仍參照圖2，如上所述，可將主模型輸出52與調(diào)整輸入56進(jìn)行比較，以便調(diào)整模型48。具體而言,主模型輸出52和調(diào)整輸入56可被歸一化46,以生成歸一化模型輸出()和歸一化調(diào)整輸出()。然后可將相應(yīng)的每一對歸一化輸出(，)進(jìn)行比較62(例如，可將PC0MB_M0D與行比較)，以生成差異信號(Λ ( ， ))64，諸如(Λ (PC0MB_MOD, PC0MB_A))。差異信號64通?？杀聿荒Ｐ洼敵鰠?shù)52相對于調(diào)整輸入56的誤差。應(yīng)了解，在若干 個實施例中，可存在對應(yīng)于主模型輸出52中的每一個的至少一個差異信號64和/或可存在對應(yīng)于測量調(diào)整輸入56的特定參數(shù)的冗余傳感器中的每一個的差異信號64。此外，應(yīng)了解，每個主模型輸出52可能需要至少一個調(diào)整輸入52來生成差異信號64。因此，如果調(diào)整輸入52中的一個或更多不可用(例如由于失效的傳感器)，則可生成相應(yīng)的差異信號50，但誤差修正系統(tǒng)58仍可運行以調(diào)整模型48。此外，卡爾曼濾波器增益矩陣(KFGM-K) 66可接收作為輸入的差異信號64，以便生成可用于調(diào)整燃?xì)廨啓C模型48的歸一化修正系數(shù)調(diào)節(jié)()68。如圖3中所示，KFGM66可應(yīng)用調(diào)整系數(shù)70來調(diào)節(jié)差異信號64并生成歸一化修正系數(shù)68。在一個實施例中，較大數(shù)量的差異信號64 (例如用于每個調(diào)整輸入54的冗余傳感器輸出)可使KFGM66能夠生成可用于精確地調(diào)整模型48并確保模型58生成精確的輸出值52、54的歸一化修正系數(shù)68。應(yīng)了解，差異信號64的損失可降低(但不消除)KFGM66調(diào)整模型48的能力。具體而言，KFGM66的自適應(yīng)能力可使它能夠使用一組減少的差異信號64來繼續(xù)調(diào)整模型48。為了在差異信號64中的一個或更多不可用時自動調(diào)整模型48，可對KFGM66進(jìn)行修改，以解決差異信號64的損失。因此，即使傳感器失效并且與可觀測的運行參數(shù)有關(guān)的調(diào)整輸入數(shù)據(jù)不可用時，燃?xì)廨啓C12也可繼續(xù)運行并被自動調(diào)整?，F(xiàn)參照圖3，根據(jù)本發(fā)明主題的方面示出了可借以形成KFGM66的機制的一個實施例。如圖所示,可通過將一系列輸入諸如基礎(chǔ)輸入50和一系列擾動性能乘數(shù)(prt)(例如擾動的修正和歸一化差異信號64)應(yīng)用于燃?xì)廨啓C模型74 (例如模型48)來確定模型靈敏度矩陣(MSM) (a，h) 72。模型74的主輸出的靈敏度可通過偏導(dǎo)數(shù)分析76來確定。此外，靈敏度值可被歸一化78，以形成MSM(a，h)72。MSM72可應(yīng)用于在線濾波器增益計算80(例如卡爾曼濾波器方程)，以確定可應(yīng)用于對應(yīng)于測定的調(diào)整輸入56與由模型48預(yù)測的相應(yīng)值52之間的差異的差異信號64的最佳調(diào)整系數(shù)70 (例如增益值)的矩陣。圖3中示出了用于在線濾波器增益計算80的卡爾曼濾波器方程。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員公知使用此類方程作為最佳遞歸數(shù)據(jù)處理算法。如圖3中所示，KFGM66可接收可應(yīng)用于差異信號64的一個或更多調(diào)整系數(shù)70，以生成歸一化修正系數(shù)調(diào)節(jié)68。然后可將歸一化修正系數(shù)68與現(xiàn)有歸一化修正系數(shù)(Ζ_θ84求和，以對當(dāng)前修正修正系數(shù)68與現(xiàn)有修正系數(shù)84之間的差異進(jìn)行平均。然后可使平均后的修正系數(shù)去歸一化86，以產(chǎn)生性能乘數(shù)88 (也是去歸一化的修正系數(shù))，該性能乘數(shù)可包括例如構(gòu)件效率，諸如壓縮機效率系數(shù)(KCMP_ETA)和渦輪效率系數(shù)(KTRB_ETA)，以及流量，諸如壓縮機流量系數(shù)(KCMP_FLW)和熱量消耗系數(shù)(KF_FLW)(例如預(yù)測熱量消耗與實際熱量消耗的比率)。去歸一化的修正系數(shù)88然后可應(yīng)用于燃?xì)廨啓C模型48作為例如可應(yīng)用于模型燃?xì)廨啓C12并生成模型輸出52、54的方程和/或算法的乘數(shù)。具體而言，去歸一化的修正系數(shù)88可通過調(diào)節(jié)方程和/或算法使得它們生成精確地代表燃?xì)廨啓C12的實際運行的模型輸出52、54來調(diào)整模型48。模型輸出52、54然后可用于確定通往燃?xì)廨啓C12的燃料和空氣流量，以確定通往燃?xì)廨啓C12的其它控制輸入，確定燃?xì)廨啓C12的功率輸出，和/或確定燃?xì)廨啓C12的任何其它運行參數(shù)。本發(fā)明主題的技術(shù)效果是燃?xì)廨啓C的改進(jìn)的控制、性能和/或運行。具體而言，通過在線和實時調(diào)整燃?xì)廨啓C模型48，可增強燃?xì)廨啓C的控制、性能和/或運行。此書面描述使用了包括最佳模式在內(nèi)的實例來公開本發(fā)明，并且還使本領(lǐng)域的任何技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制造并利用任何裝置或系統(tǒng)并且執(zhí)行任何所結(jié)合的方法。本發(fā)明可取得專利權(quán)的范圍通過權(quán)利要求來限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它實例。如果此類其它實例包括并未不同于權(quán)利要求的文字語言所描述的結(jié)構(gòu)元件，或者它們包括與權(quán)利要求的文字語言無實質(zhì)性 區(qū)別的等同結(jié)構(gòu)元件，則認(rèn)為此類其它實例包含在權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于模擬燃?xì)廨啓C的運行的方法，所述方法包括 感測燃?xì)廨啓C的多個第一運行參數(shù)的值； 將所述多個第一運行參數(shù)的感測到的值應(yīng)用于所述燃?xì)廨啓C的模型，以生成多個預(yù)測運行參數(shù)，所述多個預(yù)測運行參數(shù)包括至少一個預(yù)測燃燒產(chǎn)物參數(shù)； 確定所述多個預(yù)測運行參數(shù)與所述燃?xì)廨啓C的相應(yīng)多個感測到的第二運行參數(shù)之間的差值，所述多個感測到的第二運行參數(shù)包括至少一個感測到的燃燒產(chǎn)物參數(shù)； 將誤差修正系統(tǒng)應(yīng)用于所述差值，以確定修正系數(shù)；以及 使用所述修正系數(shù)來調(diào)節(jié)所述燃?xì)廨啓C的所述模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一個預(yù)測燃燒產(chǎn)物參數(shù)和所述至少一個感測到的燃燒產(chǎn)物參數(shù)每一個都包括所述燃?xì)廨啓C內(nèi)的氧氣濃度、二氧化碳濃度、氬氣濃度、一氧化碳濃度、氮氣濃度和水濃度中的至少一個。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括感測所述多個感測到的第二運行參數(shù)的值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，感測所述多個感測到的第二運行參數(shù)的值包括使用至少一個燃燒產(chǎn)物傳感器來感測所述至少一個感測到的燃燒產(chǎn)物參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述至少一個燃燒產(chǎn)物傳感器布置在所述燃?xì)廨啓C的燃燒點下游。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述至少一個燃燒產(chǎn)物傳感器包括氧傳感器、二氧化碳傳感器、氬傳感器、一氧化碳傳感器、氮傳感器和水蒸氣傳感器中的至少一個。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，感測所述多個感測到的第二運行參數(shù)的值包括感測所述至少一個感測到的燃燒產(chǎn)物參數(shù)以及渦輪排放溫度、壓縮機排出壓力和壓縮機排出溫度中的至少一個。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，確定所述多個預(yù)測運行參數(shù)與所述燃?xì)廨啓C的相應(yīng)多個感測到的第二運行參數(shù)之間的差值包括確定所述至少一個預(yù)測燃燒產(chǎn)物參數(shù)與所述至少一個感測到的燃燒產(chǎn)物參數(shù)之間的差值。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，感測燃?xì)廨啓C的多個第一運行參數(shù)的值包括感測環(huán)境壓力、進(jìn)口壓差、排放壓差、環(huán)境特定濕度、環(huán)境溫度、壓縮機進(jìn)口溫度、進(jìn)口導(dǎo)葉角度、進(jìn)口放氣熱流量、燃料流量、燃料溫度、發(fā)電機速度、一級噴嘴面積和發(fā)電機功率系數(shù)中的至少一個。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將誤差修正系統(tǒng)應(yīng)用于所述差值以確定修正系數(shù)包括將卡爾曼濾波器增益矩陣應(yīng)用于所述差值的擾動值以確定所述修正系數(shù)。
11.一種用于模擬燃?xì)廨啓C的運行的方法，所述方法包括 使用所述燃?xì)廨啓C的模型來確定至少一個預(yù)測燃燒產(chǎn)物參數(shù)； 感測至少一個感測到的燃燒產(chǎn)物參數(shù)； 確定所述至少一個預(yù)測燃燒產(chǎn)物參數(shù)與所述至少一個感測到的燃燒產(chǎn)物參數(shù)之間的差值; 將誤差修正系統(tǒng)應(yīng)用于所述差值，以確定修正系數(shù)；以及 使用所述修正系數(shù)來調(diào)節(jié)所述燃?xì)廨啓C的所述模型。
12.一種用于模擬燃?xì)廨啓C的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 多個傳感器，其構(gòu)造成感測燃?xì)廨啓C的多個第一運行參數(shù)和多個第二運行參數(shù)的值，所述多個第二運行參數(shù)包括至少一個感測到的燃燒產(chǎn)物參數(shù)； 與所述多個傳感器通信聯(lián)接的控制器，所述控制器構(gòu)造成基于所述多個第一運行參數(shù)的感測到的值和多個修正系數(shù)而生成預(yù)測運行參數(shù)，所述控制器還構(gòu)造成確定所述多個預(yù)測運行參數(shù)與所述多個第二運行參數(shù)的感測到的值之間的差值，所述控制器還構(gòu)造成將誤差修正系統(tǒng)應(yīng)用于所述差值以便生成所述多個修正系數(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個傳感器包括至少一個燃燒產(chǎn)物傳感器，所述至少一個燃燒產(chǎn)物傳感器布置在所述燃?xì)廨啓C的燃燒點下游。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個燃燒產(chǎn)物傳感器包括氧傳感器、二氧化碳傳感器、氬傳感器、一氧化碳傳感器、氮傳感器和水蒸氣傳感器中的至少一個。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個預(yù)測運行參數(shù)包括至少一個預(yù)測燃燒產(chǎn)物參數(shù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個預(yù)測燃燒產(chǎn)物參數(shù)和所述至少一個感測到的燃燒產(chǎn)物參數(shù)每一者都包括所述燃?xì)廨啓C內(nèi)的氧氣濃度、二氧化碳濃度、氬氣濃度、一氧化碳濃度、氮氣濃度和水濃度中的至少一個。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器包括所述燃?xì)廨啓C的數(shù)學(xué)模型，所述控制器構(gòu)造成使用所述數(shù)學(xué)模型來生成所述多個預(yù)測運行參數(shù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器還構(gòu)造成使用所述多個修正系數(shù)來調(diào)節(jié)所述數(shù)學(xué)模型。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述誤差修正系統(tǒng)包括由所述控制器生成的卡爾曼濾波器增益矩陣。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器包括所述燃?xì)廨啓C的渦輪控制器。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于模擬燃?xì)廨啓C運行的系統(tǒng)和方法，具體而言，涉及一種用于模擬燃?xì)廨啓C的方法。該方法通?？砂ǜ袦y燃?xì)廨啓C的多個第一運行參數(shù)的值；將第一運行參數(shù)應(yīng)用于燃?xì)廨啓C的模型，以生成多個預(yù)測運行參數(shù)；確定預(yù)測運行參數(shù)與燃?xì)廨啓C的相應(yīng)多個感測到的第二運行參數(shù)之間的差值，將誤差修正系統(tǒng)應(yīng)用于差值，以確定修正系數(shù)；以及使用修正系數(shù)來調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C的模型，其中預(yù)測運行參數(shù)包括至少一個預(yù)測燃燒產(chǎn)物參數(shù)并且感測到的第二運行參數(shù)包括至少一個感測到的燃燒產(chǎn)物參數(shù)。
文檔編號F02C9/00GK103061891SQ20121033740
公開日2013年4月24日 申請日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月14日
發(fā)明者R.A.摩根, P.J.米切爾 申請人:通用電氣公司