用于燃气涡轮机的基于模型的协调空气-燃料控制

摘要

本发明涉及用于燃气涡轮机的基于模型的协调空气-燃料控制，具体而言，协调空气-燃料控制器及相关方法提供了燃料控制器、燃烧空气控制器和稳态空气对燃料模型。燃料控制器生成燃料控制输出信号而燃烧空气控制器生成燃烧空气控制输出信号。燃料控制器基于第一回路控制信号和第二回路控制信号的至少其中一个确定初步燃料控制信号，并基于该初步燃料控制信号确定燃料控制输出信号。该稳态空气对燃料模型处理初步燃料控制信号以确定期望的稳态燃烧空气控制信号。燃烧空气控制器基于第三回路控制信号和第四回路控制信号的至少其中一个确定初步燃烧空气控制信号，并基于初步燃烧空气控制信号和期望的稳态燃烧空气控制信号确定燃烧空气控制输出信号。

说明书

技术领域

本发明涉及用于燃气涡轮机的控制系统，并且特别涉及具有燃料 控制器和燃烧空气控制器两者的控制系统。

背景技术

燃气涡轮机通常联接到发电机上以驱动该发电机。已知使用交叉 通道控制器(cross channel controller)来控制供应给燃气涡轮机的燃烧 室的燃料和空气的量。已知的交叉通道控制器对涡轮机速度误差信号 起作用，该信号是对于燃料供应控制器的输入。此类交叉通道控制器 处理速度误差信号，并且得到的处理后的速度误差信号被添加到涡轮 机排放温度误差信号上。涡轮机排放温度误差信号和处理后的速度误 差信号的和由空气供应控制器使用转换函数处理，以产生控制供应给 燃烧室的空气的控制信号。例如见美国专利第5,487,265(1996年1月 30日)和5,636,507(1997年6月10日)。

发明内容

根据一方面，本发明提供了用于燃气涡轮机的控制系统。该控制 系统包括燃料控制致动器和燃烧空气控制致动器。协调空气-燃料控制 器(CAF)控制燃料控制致动器和燃烧空气控制致动器的操作。协调空 气-燃料控制器接收多个燃气涡轮机状态输入信号，并基于输入信号确 定第一误差信号、第二误差信号、第三误差信号和第四误差信号。协 调空气-燃料控制器包括燃料控制器、燃烧空气控制器和稳态空气对燃 料模型。该燃料控制器给燃料控制致动器提供燃料控制输出信号以控 制燃料控制致动器的操作。该燃料控制器使用第一转换函数处理第一 误差信号以获得第一回路控制信号，并使用第二转换函数处理第二误 差信号以获得第二回路控制信号。燃料控制器基于第一回路控制信号 和第二回路控制信号的至少其中一个确定初步燃料控制信号，并基于 该初步燃料控制信号确定燃料控制输出信号。燃烧空气控制器向燃烧 空气控制致动器提供燃烧空气控制输出信号，以控制燃烧空气控制致 动器的操作。稳态空气对燃料模型与燃料控制器通信，并处理初步燃 料控制信号，以确定期望的稳态燃烧空气控制信号。该燃烧空气控制 器使用第三转换函数处理第三误差信号以获得第三回路控制信号，并 使用第四转换函数处理第四误差信号以获得第四回路控制信号。燃烧 空气控制器基于第三回路控制信号和第四回路控制信号的至少其中 一个确定初步燃烧空气控制信号，并基于该初步燃烧空气控制信号和 期望的稳态燃烧空气控制信号确定燃烧空气控制输出信号。

根据另一方面，本发明提供一种控制燃气涡轮机中空气供应和燃 料供应的方法。基于燃气涡轮机的第一状态生成第一误差信号。基于 燃气涡轮机的第二状态生成第二误差信号。基于燃气涡轮机的第三状 态生成第三误差信号。基于燃气涡轮机的第四状态生成第四误差信 号。根据第一转换函数处理第一误差信号以获得第一回路控制信号。 根据第二转换函数处理第二误差信号以获得第二回路控制信号。根据 第三转换函数处理第三误差信号以获得第三回路控制信号。根据第四 转换函数处理第四误差信号以获得第四回路控制信号。基于第一回路 控制信号和第二回路控制信号的至少其中一个生成初步燃料控制信 号。基于初步燃料控制信号生成燃料控制输出信号。燃料控制输出信 号被提供给燃料控制致动器。燃料控制致动器基于燃料控制输出信号 调整燃料流。提供了稳态空气对燃料模型。该稳态空气对燃料模型从 初步燃料控制信号生成期望的稳态燃烧空气控制信号。基于第三回路 控制信号和第四回路控制信号的至少其中一个生成初步燃烧空气控 制信号。基于初步燃烧空气控制信号和期望的稳态燃烧空气控制信号 生成燃烧空气控制输出信号。燃烧空气控制输出信号被提供给燃烧空 气控制致动器。燃烧空气控制致动器基于燃烧空气控制输出信号调整 燃烧空气的量。

附图说明

在参考附图阅读以下描述之后，本发明的前述及其他方面对于本 发明所涉及的本领域技术人员将变得显而易见，其中：

图1是燃气涡轮机和用于该燃气涡轮机的控制系统的示意图；

图2是显示入口导向叶片位置对燃料行程基准值的曲线图；以及

图3是燃气涡轮机和用于该燃气涡轮机的控制系统的示意图。

具体实施方式

下文将参考附图更详尽地描述本发明的特征和方面，附图中显示 了示例实施例。在任何可能的时候，贯穿附图用相同的参考标号来指 代相同或相似的零部件。然而，本发明可以以许多不同的形式实施， 并且应该被解释为限于本文所陈述的实施例。提供了这些示例实施例 以便此公开将既透彻又完整，并且将完全地向本领域技术人员传达本 发明的范围。

以下讨论了各种信号。应该理解的是这些信号可为存储在存储单 元(诸如寄存器)中的模拟信号、数字信号或数据值。以下讨论了各种 电路和电路的部分。应该理解的是这些电路和电路的部分可通过离散 电子器件、集成电路和/或通过由处理器进行的程序指令的执行而实 施。

本发明的技术效果是对于用在重型燃气涡轮机控制中的协调空 气-燃料(CAF)控制功能的改善。CAF功能在电网频率瞬变期间协调空 气和燃料的控制，以防止诸如贫燃吹灭(lean blowout)、排放超温以及 压缩机喘振。

对于已知燃气涡轮机协调空气-燃料控制器的一个挑战是到空气 供应和燃料供应控制器的输入不必然协调它们的输出(分别是空气和 燃料需求)。对此一个原因是涡轮机速度误差和涡轮机排放温度误差之 间的关系不是直观的，使得难以设计和调节交叉通道控制器。另一个 原因是燃料供应控制器内的限制可能使得涡轮机速度误差成为即将 发生的燃料供应变化的糟糕指示物。

已知的交叉通道控制器在“控制误差空间”中操作，从而连接速 度误差和排放温度误差。然而，速度误差和排放温度误差之间的正确 关系是难以确定的。一种更好的方法是使交叉通道控制器在“需求空 间”中操作，其在控制通道中位于作用在误差信号上的相应的控制转 换函数之后。需求空间中的交叉通道控制器可以利用空气和燃料之间 的直接关系，诸如稳态空气对燃料模型，以协调空气和燃料供应。空 气和燃料之间的正确关系可以比误差信号之间的正确关系更易于确 定。因此，具有位于需求空间中的交叉通道控制器的协调空气-燃料控 制器可以比已知的交叉通道控制器更易于设计和调节。具有需求空间 中的交叉通道控制器也使得能够反映燃料供应控制器内的约束。

图1是燃气涡轮机11和用于该燃气涡轮机的协调空气-燃料控制 器13的示意图，该控制器包括在控制器13的需求空间部分中操作的 交叉通道控制器。图1中的交叉通道控制器是稳态空气对燃料模型15。 如以下将进一步描述的，稳态空气对燃料模型15提供了稳态状态下 用于燃气涡轮机的燃料供应和燃烧空气供应之间的关系。

燃气涡轮机11具有用于感测与燃气涡轮机相关的各种状态的多 个传感器17。示例传感器包括用于感测燃气涡轮机的旋转速度的速度 传感器，用于感测燃气涡轮机的排放气体的温度的温度传感器，用于 由燃气涡轮机驱动的发电机19所供应的功率的功率水平传感器，以 及用于感测燃气涡轮机的压缩机压力的压力传感器。可按需要提供用 于感测与燃气涡轮机相关的其它条件的另外的传感器。与燃气涡轮机 相关的条件的估算也可取代直接传感器。传感器17提供反馈信号21 作为到控制器13的输入。

现在将详细讨论协调空气-燃料控制器13。协调空气-燃料控制器 13可包括子控制器，诸如交叉通道控制器(例如，稳态空气对燃料模 型15)，燃料控制器23和燃烧空气控制器25。控制器13可为电子控 制器并且可包括一个或多个处理器。例如，控制器13可包括一个或 多个微处理器，微控制器，数字信号处理器(DSP)，专用集成电路 (ASIC)，现场可编程门阵列(FPGA)，离散逻辑电路等等。控制器13 还可包括存储器并可存储导致控制器提供在本文中归于其的功能性 的程序指令。存储器可包括一个或多个易失性、非易失性、磁、光、 或电介质，诸如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电可擦 除可编程ROM(EEPROM)、闪存等等。控制器13还可包括用于处理 到该控制器的各种模拟输入的一个或多个模数(A/D)转换器。

控制器13包括误差计算器27a-27f。来自各传感器17的反馈信 号21是到相应误差计算器27a-27f的输入，用于与相关基准值29a-29f 进行比较。误差计算器27a-27f的输出是误差信号31a-31f，它们指示 所感测的状态和基准值之间的差异。例如，所感测的燃气涡轮机的旋 转速度可以与基准速度进行比较，以确定旋转速度误差信号，且燃气 涡轮机的感测排放气体温度可以与基准温度进行比较，以确定排放温 度误差信号。基准值29a-29f可为边界值或目标值。边界值建立如果 可能不应越过的限制操作条件，例如最大温度或压力或最小速度。目 标值建立期望的操作状态，例如期望速度。

在图1中，三个误差计算器27a-27c分别提供误差信号31a-31c 作为到燃料控制器23的输入，且三个误差计算器27d-27f分别提供误 差信号31d-31f作为到燃烧空气控制器25的输入。应该理解的是多于 或少于三个误差计算器可以向燃料控制器23和燃烧空气控制器25提 供误差信号，并且燃料控制器和燃烧空气控制器不需要具有相同数目 的相关误差计算器。

误差信号31a-31c由燃料控制器23处理以便生成燃料控制输出信 号33。该燃料控制器23给燃气涡轮机上的燃料控制致动器35提供燃 料控制输出信号33以控制燃料控制致动器的操作。燃料控制致动器 35响应于燃料控制输出信号33以控制提供给燃气涡轮机的燃烧室的 燃料的量。燃料控制致动器35例如可基于来自燃料控制器23的燃料 行程基准值(FSR)信号控制一个或多个燃料阀的燃料行程63。燃料控 制器23通过控制燃料控制致动器35的操作控制提供给燃烧区域的燃 料的量。

燃料控制器23使用相应的转换函数K_a(s)-K_c(s)处理误差信号 31a-31c。转换函数K_a(s)-K_c(s)可各实施比例积分(PI)控制模式、比例 积分微分(PID)控制模式或所期望的其他控制模式。

从转换函数K_a(s)-K_c(s)输出的回路燃料控制信号37a-37c被提供 给燃料控制器23的选择逻辑39。经由选择逻辑39，燃料控制器23 基于至少其中一个回路燃料控制信号37a-37c确定初步燃料控制信号 41。选择逻辑39可提供用于选择其中一个回路燃料控制信号37a-37c 作为初步燃料控制信号41的算法。在选择回路燃料控制信号作为初 步燃料控制信号41时，该选择逻辑可给一个回路燃料控制信号高于 另一个信号的优先权，或将信号进行比较以确定哪一个具有更大/更小 的值。示例选择逻辑可为：max(min(37a，37b)，37c)。在此情况下，比 较回路燃料控制信号37a和37b，两个信号(37a，37b)的较小值被进一 步与信号37c进行比较，且较大的信号被选择为初步燃料控制信号41。 此类算法在确立燃气涡轮机边界条件(诸如最大温度/压力，最小操作 速度等)时会是有用的。选择逻辑39可基于边界条件的优先权比较回 路燃料控制信号37a-37c，并选择回路燃料控制信号作为初步燃料控 制信号41，使得燃气涡轮机在一些或全部边界条件内操作。如果需要 的话，选择逻辑可以算术地组合(例如，增加、一起平均等)两个或更 多回路燃料控制信号37a-37c，以获得初步燃料控制信号41。

燃料控制器23可以可选地包括致动器动态补偿器43。致动器动 态补偿器43处理初步燃料控制信号41以补偿燃料控制致动器35和 燃烧空气控制致动器45之间的响应特性差异。燃烧空气控制致动器 45控制提供给燃气涡轮机11的燃烧室的空气的量。燃料控制致动器 35和燃烧空气控制致动器45可具有不同的响应特性。例如，燃料控 制致动器35可能够比燃烧空气控制致动器45可改变提供给燃烧室的 空气的量更快地改变燃料的流率。在此情况下，致动器动态补偿器43 可通过向初步燃料控制信号41增加延迟而延迟改变燃料控制输出信 号33。致动器动态补偿器43是可选的，并且在没有致动器动态补偿 器的实施例中，初步燃料控制信号41等于燃料控制输出信号33或与 之完全相同。

转向燃烧空气控制器25，燃烧空气控制器生成燃烧空气控制输出 信号47。燃烧空气控制器25向燃气涡轮机11上的燃烧空气控制致动 器45提供燃烧空气控制输出信号47，以控制燃烧空气控制致动器的 操作。燃烧空气控制致动器45响应于燃烧空气控制输出信号47以控 制提供给燃气涡轮机11的燃烧室的空气的量。燃烧空气控制致动器 45例如可以控制燃气涡轮机11的入口导叶65的位置(例如角度)。燃 烧空气控制器25通过控制燃烧空气控制致动器45的操作控制提供给 燃烧区域的空气的量。

燃烧空气控制器25使用相应的转换函数K_d(s)-K_f(s)处理误差信号 31d-31f。和转换函数K_a(s)-K_c(s)类似，转换函数K_d(s)-K_f(s)可实施期 望的控制模式，比方说例如PI或PID控制模式。回路燃烧空气控制 信号37d-37f从转换函数K_d(s)-K_f(s)输出，且被提供给燃烧空气控制器 25中的选择逻辑49。经由选择逻辑49，燃烧空气控制器25确定初步 燃烧空气控制信号51。类似于燃料控制器23中的选择逻辑39，选择 逻辑49可提供用于选择其中一个回路燃烧空气控制信号37d-37f作为 初步燃烧空气控制信号51的算法。在选择回路燃烧空气控制信号作 为初步燃烧空气控制信号51时，该选择逻辑可给一个回路燃烧空气 控制信号高于另一个信号的优先权，或将信号进行比较以确定哪一个 具有更大/更小的值。示例选择逻辑可为：max(min(37d，37e)，37f)。可 基于与排放温度、压缩机压力比等相关的燃气涡轮机操作边界条件建 立选择逻辑。选择逻辑49可基于边界条件的优先权比较回路燃烧空 气控制信号37d-37f，并选择回路燃烧空气控制信号作为初步燃烧空气 控制信号51，使得燃气涡轮机在一些或全部边界条件内操作。如果需 要的话，选择逻辑可以算术地组合(例如，增加、一起平均等)两个或 更多回路燃烧空气控制信号37d-37f，以获得初步燃烧空气控制信号 51。

在协调空气-燃料控制器13的需求空间部分中操作的稳态空气对 燃料模型15与燃料控制器23和燃烧空气控制器25二者通信。稳态 空气对燃料模型15从燃料控制器23接收初步燃料控制信号41，并基 于该初步燃料控制信号41计算期望稳态燃烧空气控制信号53。稳态 空气对燃料模型15向燃烧空气控制器25提供期望的稳态燃烧空气控 制信号53。尽管在图中未显示，但稳态空气对燃料模型15可包括对 实际稳态状态的自动适应。换言之，该模型可自动调整以去除燃烧空 气控制输出信号47和期望稳态燃烧空气控制信号之间的任何稳态差 异。此适应改善了稳态空气对燃料模型15的精度。

燃烧空气控制器25从稳态空气对燃料模型15接收期望的稳态燃 烧空气控制信号53。燃烧空气控制器25基于初步燃烧空气控制信号 51和期望稳态燃烧空气控制信号53的一个或两者确定燃烧空气控制 输出信号47。例如，燃烧空气控制器25可包括用于组合初步燃烧空 气控制信号51和期望稳态燃烧空气控制信号53以确定燃烧空气控制 输出信号47的求和电路55。初步燃烧空气控制信号51和期望稳态燃 烧空气控制信号53可通过求和电路55加到一起，并且求和电路55 的输出是燃烧空气控制输出信号47。可选地，如图1中所示，燃烧空 气控制器25可包括致动器动态补偿器57，其处理来自求和电路55的 输出，以补偿燃料控制致动器35和燃烧空气控制致动器45之间的响 应特性差异。如果存在致动器动态补偿器57，则致动器动态补偿器 57的输出为燃烧空气控制输出信号47，而并非直接是求和电路55的 输出。

除了求和电路55之外的其它方法可用于组合初步燃烧空气控制 信号51和期望的稳态燃烧空气控制信号53。例如，取决于环境，可 通过将一个输入加权到另一个上的算法完成组合。

期望的稳态燃烧空气控制信号53用于协调燃料控制器23和燃烧 空气控制器25的操作。此类协调可降低将会发生的燃气涡轮机的各 种负面状态的可能性。例如，此类协调可降低贫燃吹灭、排放超温以 及压缩机喘振的可能性。

稳态空气对燃料模型15使用其模型来从初步燃料控制信号41计 算期望稳态燃烧空气控制信号53。如图2中所示，空气对燃料模型 59可将入口导叶位置(IGV)与燃料行程基准值(FSR)相关联。备选地， 空气对燃料模型可直接将气流与燃料流相关联。初步燃料控制信号41 直接或间接地控制燃料控制致动器35。对于给定的初步燃料控制信号 41，稳态空气对燃料模型15使用空气对燃料模型确定并输出对应的 期望稳态燃烧空气控制信号53。应该理解的是空气对燃料模型可经由 使用算术等式的算法、经由查询表或经由其它已知的建模技术实施。

如图2中所示，模型59可提供FSR和IGV之间的稳态对应性。 该稳态空气对燃料模型15将输出期望的稳态燃烧空气控制信号53， 以大致沿所示的稳态路径61维持燃气涡轮机11的操作，并补偿快速 瞬变状态(从稳态路径61的快速偏离)。从稳态路径的偏离，例如对于 给定的FSR过高或过低的IGV值(由图2中的弯曲箭头示意性所示)， 可导致诸如贫燃吹灭、排放过温和压缩机喘振的负面状态的发生。

在图2中，稳态路径61是分段线性的。该稳态路径61具有水平 部分，其中IGV在低范围的FSR上是恒定的。在水平部分之后，稳 态路径61随着FSR增加具有恒定的正斜率。应该理解的是该稳态路 径可具有弯曲部分或笔直部分和弯曲部分的组合。

图3是燃气涡轮机11和协调空气-燃料控制器13的示意图。图3 中所示的协调空气-燃料控制器13类似于图1中所示。然而，在图3 中，将期望的稳态燃烧空气控制信号53提供给界限计算器67，而不 是直接提供给燃烧空气控制器25。界限计算器67确定要施加给期望 稳态燃烧空气控制信号53的可变偏差。界限计算器67将该偏差添加 到期望的稳态燃烧空气控制信号53上以及从期望的稳态燃烧空气控 制信号53减去该偏差，以输出对于初步燃烧空气控制信号51的上界 限和下界限。将上界限和下界限信号69与初步燃烧空气控制信号一 起提供给箝位部分(clamping portion)。箝位部分的输出73是由上界限 和下界限信号69箝位的初步燃烧空气控制信号51。当初步燃烧空气 控制信号51在界限内时，箝位部分的输出73等于初步燃烧空气控制 信号。当初步燃烧空气控制信号51在上界限之上或低于下界限时， 箝位部分的输出73分别等于上界限或下界限。

在没有可选的致动器动态补偿器57的根据图3的一个实施例中， 箝位部分的输出73是燃烧空气控制输出信号47。在包括可选致动器 动态补偿器57的根据图3的一个实施例中，箝位部分的输出73提供 给致动器动态补偿器57，该致动器动态补偿器57处理输出73以补偿 燃料控制致动器35和燃烧空气控制致动器45之间的响应特性差异。

用于确定界限的偏差是可变的。界限计算器67分析期望的稳态 燃烧空气控制信号53的变化率。如果期望的稳态燃烧空气控制信号 53的变化率低，则正在发生稳态或近稳态状态，并且偏差设置成相对 大。将偏差设置得相对大允许转换函数K_d(s)-K_f(s)而不是期望的稳态 燃烧空气控制信号53支配燃烧空气控制输出信号47的控制。如果期 望的稳态燃烧空气控制信号53的变化率高，则正在发生快速瞬变状 态，并且偏差设置成相对小或设置成0。将偏差裕量设置成相对小允 许期望的稳态燃烧空气控制信号53而不是转换函数K_d(s)-K_f(s)支配燃 烧空气控制输出信号47的控制。在快速瞬变状态期间，可能期望的 是忽略回路燃烧空气控制信号37d-37f并基于根据模型59的期望稳态 燃烧空气控制信号53控制燃烧空气控制输出信号47。

应该理解的是箝位部分71可能不完全位于选择逻辑49的下游， 而是结合到其中。一个或多个回路燃烧空气控制信号37d-37f可在箝 位部分的下游操作。例如，对箝位部分的输入可为max(37d，37e)，而 箝位部分的输出与37f进行比较，这两者的较小值成为到致动器动态 补偿器的输入。这有效地给予控制回路产物37f比来自界限计算器67 的上界限和下界限信号69更高的优先权。

总而言之，本发明提供了用于燃气涡轮机的基于模型的协调空气 -燃料控制。

应该明显的是此公开作为示例且可通过在不背离本公开中所包 含的教导的恰当范围的情况下增加、改变或消除细节而做出各种改 变。本发明因而不限于此公开的特定细节，而只是限于所附权利要求 必然如此受限的程度。