專利名稱：確定燃燒器出口溫度的方法及控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及確定排出燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒器的氣體的出口溫度的方法以及控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的方法。具體地，本發(fā)明涉及通過基于測量和/或計算值對出ロ溫度建模來確定排出燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒器的氣體的出ロ溫度的方法。更具體地，本發(fā)明涉及控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的方法，其中，將被建模的燃燒器出ロ溫度對時間求積分，其中基于積分值進(jìn)行控制。具體地，本發(fā)明涉及在瞬態(tài)操作期間控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的方法。更具體地，本發(fā)明涉及控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的方法，以便對組件(尤其是燃?xì)鉁u輪機(jī)的渦輪機(jī)部分的組件)進(jìn)行過熱保護(hù)。
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動機(jī)包括壓縮機(jī)段、燃燒器段和渦輪機(jī)段，它們按這ー順序布置。壓 縮機(jī)段可以與渦輪機(jī)段共享共用的轉(zhuǎn)子或者這兩段可包括各自単獨的轉(zhuǎn)子。或者，渦輪機(jī)段可包括在高壓段的轉(zhuǎn)子和在低壓段的另ー轉(zhuǎn)子。壓縮機(jī)段適于壓縮空氣并且將壓縮的空氣傳送到更下游的壓縮機(jī)段。在壓縮機(jī)段或簡單的壓縮機(jī)中，向壓縮空氣中混合燃料并且點火壓縮空氣，以便產(chǎn)生向下游流到并通過渦輪機(jī)段的熱燃燒氣體。由此，熱燃燒氣體驅(qū)動渦輪機(jī)段，從而使渦輪機(jī)段的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。由此，燃燒氣體中所含的以壓カ和速度形式存在的能量可以轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，該機(jī)械能可以例如用于驅(qū)動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。在單軸布置結(jié)構(gòu)(具有共用轉(zhuǎn)子)中，高壓和低壓部分被機(jī)械地相連，使得渦輪機(jī)段驅(qū)動壓縮機(jī)段。在雙軸布置結(jié)構(gòu)(具有兩個獨立的轉(zhuǎn)子)中，低壓渦輪機(jī)段在機(jī)械上是獨立的，即，僅驅(qū)動輸出動カ軸，而由高壓渦輪機(jī)段驅(qū)動壓縮機(jī)段。渦輪機(jī)段可包括高壓渦輪機(jī)部和低壓渦輪機(jī)部，所述高壓渦輪機(jī)部和低壓渦輪機(jī)部被布置為彼此相鄰，從而使得低壓渦輪機(jī)部布置在高壓渦輪機(jī)部的下游。為了轉(zhuǎn)化熱燃燒氣體的能量，渦輪機(jī)段，特別是高壓渦輪機(jī)段，包括有噴嘴導(dǎo)流片，這些導(dǎo)流片被布置成一行或多行，其中每一行相對于轉(zhuǎn)子布置在特定軸向位置，所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動軸線沿所述軸向方向延伸。渦輪機(jī)段可包括沿軸向方向分隔開的一行或多行噴嘴導(dǎo)流片。所述多行噴嘴導(dǎo)流片屬于燃?xì)鉁u輪機(jī)的定子部分且在燃?xì)鉁u輪機(jī)的操作期間不運動。在一行噴嘴導(dǎo)流片的下游布置有一行轉(zhuǎn)子葉片，這行轉(zhuǎn)子葉片與轉(zhuǎn)子軸連接并且在作用于它們的葉片表面的熱燃燒氣體的沖擊下轉(zhuǎn)動。在該行轉(zhuǎn)子葉片上游的該行噴嘴導(dǎo)流片適于適當(dāng)?shù)爻蜣D(zhuǎn)子葉片導(dǎo)引熱燃燒氣體，以便優(yōu)化能量轉(zhuǎn)化。由此，由于熱燃燒氣體接觸噴嘴導(dǎo)流片并且將熱能傳遞到噴嘴導(dǎo)流片，導(dǎo)致噴嘴導(dǎo)流片經(jīng)受特別高的溫度。具體地，噴嘴導(dǎo)流片被認(rèn)為是對于熱應(yīng)カ而言最關(guān)鍵的渦輪機(jī)段組件。熱燃燒氣體和燃燒器廢氣可以達(dá)到很高的溫度(1500°C以上)，尤其在瞬態(tài)操作情況下。由此，瞬態(tài)操作情況可以是燃?xì)鉁u輪機(jī)的如下操作情況，其中燃?xì)鉁u輪機(jī)負(fù)荷隨時間變化，其中燃料供應(yīng)隨時間變化，和/或其中供應(yīng)到燃燒器的空氣隨時間變化，具體地這種變化非常迅速。具體地，瞬態(tài)操作情況與穩(wěn)態(tài)情況不同。熱燃燒氣體可以加熱噴嘴導(dǎo)流片的外表面部分，同時可以通過例如從壓縮機(jī)傳送的空氣或從熱回收系統(tǒng)傳送的蒸汽冷卻噴嘴導(dǎo)流片的內(nèi)部。由此，可以在噴嘴導(dǎo)流片的內(nèi)部和外部之間得到陡的溫度梯度。由此，導(dǎo)流片應(yīng)變程度大，因而可能成為最可能發(fā)生故障的發(fā)動機(jī)組件，其中此故障主要由低周疲勞導(dǎo)致。因此，為了避免噴嘴導(dǎo)流片受損，必須限制導(dǎo)流片所經(jīng)受的燃燒氣體的溫度。另ー方面，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)被固有地設(shè)計為在高氣體溫度下操作，由此提高它們的循環(huán)效率。因此，需要在諸如噴嘴導(dǎo)流片的組件能夠承受的最大許可溫度下操作燃?xì)鉁u輪機(jī)。使組件經(jīng)受這些極限以上的溫度會導(dǎo)致這些組件永久損壞。例如，導(dǎo)流片溫度的少量増加會導(dǎo)致使用壽命顯著縮短。為了防止由過高的和持續(xù)的燃燒器出口氣體溫度導(dǎo)致渦輪機(jī)損壞，可以在比導(dǎo)流片臨界壽命周期疲勞溫度低幾度的渦輪機(jī)峰值溫度下操作發(fā)動機(jī)。在常規(guī)系統(tǒng)中，可以通過控制發(fā)動機(jī)操作參數(shù)來保護(hù)渦輪機(jī)組件。由此，可以基于在渦輪機(jī)段第一行噴嘴導(dǎo)流片下游的某點處測量的氣體溫度來進(jìn)行控制。在高壓渦輪機(jī)段入口處的燃燒氣體溫度可能會過高而無法直接測量，這在適當(dāng)控制燃?xì)鉁u輪機(jī)方面存在問題。燃燒器出ロ溫度也可以被稱作渦輪機(jī)入口溫度。常規(guī)可以通過例如限制傳送到燃燒器的燃料流來控制燃燒器出ロ溫度。可以根據(jù)從熱氣體提取能量之后一個或多個渦輪機(jī)段下游熱氣體的溫度和氣體溫度來推斷或估算出所述燃燒器出ロ溫度。更下游的溫度會相應(yīng)地降低到可以實際進(jìn)行測量的合適水平。由此，可以通過放置在渦輪機(jī)段出口處或高壓渦輪機(jī)段和低壓渦輪機(jī)段之間的多個熱電偶來測量燃燒氣體溫度。但無論如何，精確測量排出燃燒器的燃燒氣體的溫度在目前是不可能的。由此，難以適當(dāng)保護(hù)渦輪機(jī)段的組件。雖然在穩(wěn)態(tài)操作情況中，在第一行噴嘴導(dǎo)流片更下游測量的氣體溫度適合用于估算實際的燃燒器排放溫度，但這在瞬態(tài)操作時是困難的。具體地，在發(fā)動機(jī)瞬態(tài)過程期間，發(fā)動機(jī)的毎次加速和/或減速都可以導(dǎo)致ー個周期的熱應(yīng)力，對于噴嘴導(dǎo)流片尤為如此。此外，在這些瞬態(tài)過程期間，基于更下游的溫度測量可能并不能適當(dāng)?shù)毓浪銓嶋H燃燒器出ロ溫度。特別地，在這些瞬態(tài)過程期間，噴嘴導(dǎo)流片會經(jīng)受超過它們的極限溫度的溫度。具體地，由于在渦輪機(jī)出口處進(jìn)行探測的用于測量的熱電偶可被構(gòu)造成為了保證準(zhǔn)確性和耐用性，而不是為了保證快速響應(yīng)，因此在第一行噴嘴導(dǎo)流片下游測量的氣體溫度不能反映真實的燃燒器出口溫度。因此，與關(guān)鍵的渦輪機(jī)硬件響應(yīng)相比，熱電偶探頭構(gòu)造會導(dǎo)致滯后和相對慢的響應(yīng)。利用能夠僅在幾秒內(nèi)達(dá)到滿負(fù)荷接受度(full loadacc印tance)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，可以快速増加瞬態(tài)燃燒氣體溫度。盡管考慮到這種溫度滯后對長時間的發(fā)動機(jī)加速并不是關(guān)鍵因素，但是當(dāng)嘗試精確地補(bǔ)償短時快速加速期間的熱電偶動カ時，這種延遲變得非常重要。文獻(xiàn)US 6，167,690公開了ー種控制系統(tǒng)，其中渦輪機(jī)入口溫度被作為渦輪機(jī)出
ロ溫度的函數(shù)推導(dǎo)獲得。文獻(xiàn)“Investigation of non-linear numerical mathematical moael of amultiple shaft gas turbine unit”，(SooYong Kim and Valeri P. Kovalesky, KSMEInternational Journal, Volume 17, No. 12, pages 2087-2098, 2003)公開了一種計算多軸燃?xì)鉁u輪機(jī)的特性的數(shù)學(xué)模型，其中采用了能量平衡?？赡苄枰环N確定燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒器的出口溫度的方法。此外，為了在最高的可能溫度范圍內(nèi)操作燃?xì)鉁u輪機(jī)，而不劣化或損壞燃?xì)鉁u輪機(jī)的組件，可能需要一種控制燃、氣渦輪機(jī)的方法。具體地，當(dāng)在瞬間改變(即瞬態(tài))操作情況下操作燃?xì)鉁u輪機(jī)時，可能需要一種控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)ー個方面，提供了一種確定從燃?xì)鉁u輪機(jī)的燃燒器排出的氣體的出口溫度的方法，其中，所述方法包括確定正傳送到所述燃燒器的燃料的質(zhì)量流量和溫度；確定正傳送到所述燃燒器的空氣的質(zhì)量流量和溫度；確定正傳送到所述燃燒器的所述燃料和所述空氣的燃燒混合物的比熱容的溫度依賴性；以及基于所確定的所述燃料的質(zhì)量流量和溫度、所確定的所述空氣的質(zhì)量流量和溫度以及所確定的所述燃燒混合物的比熱容的溫度依賴性，來確定從所述燃燒器排出的所述燃燒混合物的出ロ溫度。該方法可以采用供應(yīng)到燃燒器的能量和從燃燒器排放的能量的能量平衡。具體
地，所述方法可以采用確定單位時間供應(yīng)到燃燒器的能量和確定單位時間從燃燒器排放的能量。具體地，通過向燃燒器供應(yīng)具有特定質(zhì)量流量、溫度和比熱容的空氣和/或燃料，供應(yīng)到燃燒器的能量可以隨時間變化。此外，在燃燒器中燃燒燃料和空氣的混合物可以產(chǎn)生燃燒熱，該燃燒熱來自于燃料的質(zhì)量流量、低熱量值(LHV)或低發(fā)熱值(LCV)以及燃燒器效率。類似地，可以根據(jù)在燃燒器中燃燒的氣體和燃料的燃燒混合物(例如燃?xì)?的質(zhì)量流量、溫度和比熱容，來確定單位時間從燃燒器排放的能量。應(yīng)用能量守恒定律，可以得到燃料和空氣的燃燒混合物的溫度，即燃燒器出ロ溫度(CET)。具體地，考慮燃燒混合物的比熱容的溫度依賴性對準(zhǔn)確確定燃燒混合物的出ロ溫度(即燃燒器出口溫度)是有利的。所述方法可包括測量和/或計算不同的要求值。例如，通過利用例如一個或多個熱電偶可以測量燃?xì)鉁u輪機(jī)中ー個或多個不同位置處的ー個或多個溫度。此外，可以在燃?xì)鉁u輪機(jī)中的ー個或多個位置處測量ー個或多個壓カ值。此外，可以通過平衡方程或基本物理定律近似和/或計算地獲得ー些要求值。具體地，不必靠近燃燒器出ロ位置或靠近第一排導(dǎo)流片測量燃?xì)鉁囟?。此外，可以在快速改變?nèi)細(xì)鉁u輪機(jī)操作條件的情況下確定燃燒器出ロ溫度。此外，所確定的從燃燒器排出的燃燒混合物的出口溫度可以反映例如燃?xì)鉁u輪機(jī)快速載荷變化或啟動期間燃?xì)鉁u輪機(jī)操作條件的變化。根據(jù)ー個實施例，確定燃燒混合物比熱容的溫度依賴性包括近似得到比熱容，具體是通過溫度的多項式來近似得到比熱容。在其它實施例中，可以通過依賴溫度的其它函數(shù)(例如線性函數(shù)、二次函數(shù)、三次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和前述或其它函數(shù)的結(jié)合)來近似燃燒混合物的比熱容。通過溫度多項式來近似得到燃燒混合物比熱容可以特別簡單，因為它可包括泰勒展開式或一系列的比熱容。此外，對于代表從燃燒室排出的燃料和空氣的燃燒混合物的大量物質(zhì)，可得到該多項式的各個系數(shù)。根據(jù)ー個實施例，確定出ロ溫度包括建立迭代方程，以及將所述迭代方程應(yīng)用于至少ー預(yù)定的開始出ロ溫度。基于上ー出ロ溫度值，迭代方程可以允許計算比上一出ロ溫度更加準(zhǔn)確的隨后的出ロ溫度。迭代地應(yīng)用所述迭代方程，可以產(chǎn)生越來越接近地近似于精確燃燒器出ロ溫度的一系列出ロ溫度。由此，通過考慮隨后的出ロ溫度和上一出ロ溫度之差，可以監(jiān)視所確定的燃燒器出ロ溫度的準(zhǔn)確度。隨著收斂(應(yīng)用迭代方程足夠多次，諸如2次、5次、10次、20次、100次或更多)，此差可以接近零。由于消耗時間的計算且由于計算硬件限制，目前應(yīng)用大量迭代是不必要或不合理的。此外，所需的準(zhǔn)確性可以隨應(yīng)用而變化并且不必大量次數(shù)地應(yīng)用迭代方程，因此應(yīng)用20次、10次、5次或2次就足夠了。根據(jù)ー個實施例，確定出ロ溫度進(jìn)ー步包括限定閾值并且迭代地應(yīng)用迭代方程，以重復(fù)地從上ー出ロ溫度獲得隨后的出ロ溫度，其中，如果隨后的出ロ溫度和上一出ロ溫度之間的差小于所述閾值時，停止迭代地應(yīng)用所述迭代方程，其中，所獲得的隨后的出口溫度被確定為所述出ロ溫度。由此，可以監(jiān)視隨后的出口溫度與上一出口溫度偏離多少，以監(jiān)視所確定的燃燒器出口溫度的準(zhǔn)確度。具體地，為了較高的燃燒器出口溫度要求準(zhǔn)確度，可以執(zhí)行較多數(shù)量的迭代循環(huán)。反之，如果僅需要低準(zhǔn)確度的燃燒器出ロ溫度，則可以僅應(yīng)用幾次迭代方程，諸如一次、兩次、三次、四次或五次。應(yīng)用的迭代數(shù)量取決于具體應(yīng)用并且還取決于燃?xì)鉁u輪機(jī)的結(jié)構(gòu)，尤其是燃燒器的結(jié)構(gòu)。根據(jù)ー個實施例，確定傳送到燃燒器的燃料的質(zhì)量流量和溫度包括探測控制將所述燃料傳送到燃燒器的閥門的狀態(tài)；和/或測量燃料溫度。具體地，確定燃料的質(zhì)量流量 包括探測控制將燃料傳送到燃燒器的閥門的狀態(tài)。在一個實施例中，通過燃料流量需求(FFDEM)確定燃料的質(zhì)量流量，燃料流量需求可以是由控制系統(tǒng)確定的值。在一個實施例中，確定燃料的質(zhì)量流量包括控制用于控制將燃料傳送到燃燒器的閥門的狀態(tài)。在ー個實施例中，確定傳送到燃燒器的燃料的溫度可包括測量燃料的溫度。此外，確定傳送到燃燒器的燃料的質(zhì)量流量可包括利用例如控制將燃料傳送到燃燒器的閥門來測量傳送到燃燒器的燃料的質(zhì)量流量和/或控制傳送到燃燒器的質(zhì)量流量。此外，確定燃料的溫度可包括設(shè)定或假設(shè)燃料溫度為環(huán)境溫度。由此，不一定要測量燃料溫度，而是可以基于可獲得的其它溫度值估算燃料溫度。由此，可以容易地確定傳送到燃燒器的燃料的質(zhì)量流量和溫度。根據(jù)ー個實施例，確定空氣溫度包括測量傳送到燃燒器的空氣的溫度。這可以增加所述方法的準(zhǔn)確度。在另ー實施例中，也可以基于可獲得的其它測量溫度來估算空氣的溫度。根據(jù)ー個實施例，確定空氣的質(zhì)量流量包括應(yīng)用燃燒混合物的質(zhì)量流量、傳送到燃燒器的燃料的質(zhì)量流量以及空氣的質(zhì)量流量之間的質(zhì)量守恒關(guān)系。具體地，基于所確定的燃燒混合物的質(zhì)量流量和所確定的燃料的質(zhì)量流量，可以確定燃燒混合物的質(zhì)量流量、可以確定傳送到燃燒器的燃料的質(zhì)量流量和確定空氣的質(zhì)量流量。由此，可以不需要測量或估算傳送到燃燒器的空氣的質(zhì)量流量。根據(jù)可獲得的其它值可以測量或估算/計算燃燒混合物的質(zhì)量流量。此外，從其它已知值可以測量和/或計算/估算傳送到燃燒器的燃料的質(zhì)量流量。由此，確定空氣的質(zhì)量流量可被簡化，使其僅需要進(jìn)行較少的測量。根據(jù)ー個實施例，確定燃燒混合物的質(zhì)量流量包括在將空氣傳送到燃燒器的壓縮機(jī)出口處測量空氣的壓力；基于所測量的溫度值計算燃燒混合物的近似溫度；以及基于所測量的壓カ和所計算的燃燒混合物溫度確定燃燒混合物的質(zhì)量流量。壓縮機(jī)可包括在燃?xì)鉁u輪機(jī)中并且具體可以被布置在燃燒器的上游，其中，從燃燒器排出并流到渦輪機(jī)的燃?xì)饪梢远x從上游到下游的流動方向。燃燒混合物的近似溫度可以表示渦輪機(jī)段(TIT)的入口的溫度并且還可以表示近似燃燒器出口溫度。可以基于熱力學(xué)平均內(nèi)導(dǎo)管溫度、平均壓縮機(jī)出口溫度、平均壓縮機(jī)入口溫度和取決于燃料類型的常數(shù)，可以例如計算或估算燃燒混合物的此近似溫度。由此，熱力學(xué)平均內(nèi)導(dǎo)管溫度可以是在壓縮機(jī)渦輪機(jī)段(驅(qū)動壓縮機(jī)的高壓渦輪機(jī)段)和作為功率渦輪機(jī)段的高壓渦輪機(jī)段下游的低壓渦輪機(jī)段或驅(qū)動壓縮機(jī)的低壓渦輪機(jī)段之間的地點處測量的溫度。平均壓縮機(jī)出口溫度可以是緊接燃燒器上游的壓縮機(jī)出口處的空氣溫度。平均壓縮機(jī)入口溫度可以是壓縮機(jī)入口處的空氣溫度。取決于燃料類型的常數(shù)可以是無量綱的并且大小可以為對氣體燃料為I. 182并且對液體燃料為I. 210，但是對于不同類型的燃料，該常數(shù)可以表現(xiàn)為不同值。氣體燃料的取決于燃料類型的常數(shù)大于固定燃料的。根據(jù)ー個方面，提供了一種控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的方法，其中所述方法包括確定從所述燃?xì)鉁u輪機(jī)的燃燒器排出的氣體的燃燒器出ロ溫度，具體是根·據(jù)上述方法；將從所述燃燒器排出的所述氣體導(dǎo)引到所述燃?xì)鉁u輪機(jī)的渦輪機(jī)段；基于所確定的燃燒器出ロ溫度控制所述燃?xì)鉁u輪機(jī)。與常規(guī)方法相比，控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的方法可以更有效地防止燃?xì)鉁u輪機(jī)組件受損，尤其是渦輪機(jī)段的組件。在常規(guī)方法中，還不能準(zhǔn)確地確定排出燃燒器的氣體的溫度。因此，還不能探測渦輪機(jī)段組件的臨界氣體溫度。由于根據(jù)本發(fā)明的ー個方面，可以更準(zhǔn)確地確定排出燃燒器的燃燒氣體的燃燒器出ロ溫度，因此可以提高對燃?xì)鉁u輪機(jī)的控制，以便防止燃?xì)鉁u輪機(jī)組件受損。根據(jù)ー個實施例，控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的方法進(jìn)ー步包括如果所確定的燃燒器出ロ溫度和預(yù)定閾值溫度之間的第一差大于零，則將所述第一差對時間間隔求積分，其中，基于經(jīng)積分的第一差的值控制所述燃?xì)鉁u輪機(jī)。預(yù)定閾值溫度可以是在不損壞燃?xì)鉁u輪機(jī)的渦輪機(jī)段組件(尤其是第一排噴嘴導(dǎo)流片)的情況下一定不能超過的溫度極限。僅當(dāng)所確定的燃燒器出ロ溫度超過預(yù)定閾值溫度時進(jìn)行積分。當(dāng)増加經(jīng)積分的第一差的值時，燃?xì)鉁u輪機(jī)的渦輪機(jī)段組件的受損風(fēng)險增加。經(jīng)積分的第一差的值越大，渦輪機(jī)組件受損的風(fēng)險越大。當(dāng)所確定的燃燒器出口溫度僅在短的時間間隔(例如5秒、10秒、30秒或60秒)內(nèi)超過閾值溫度吋，渦輪機(jī)段組件可以承受，但是當(dāng)此時間間隔大于5秒、10秒、30秒、60秒或更大吋，渦輪機(jī)組件不能承受。通過利用積分值，可以考慮渦輪機(jī)段組件的傳導(dǎo)特性。根據(jù)ー個實施例，控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的方法進(jìn)ー步包括用具有冷卻流體溫度的冷卻流體來冷卻所述渦輪機(jī)段；以及所確定的燃燒器出ロ溫度與所述冷卻流體溫度加上差閾值(AT_lim)的和之間的差為第二差(AT)，在所述第二差大于零的情況下，將所述第二差對時間間隔求積分，其中，基于經(jīng)積分的第二差的值控制所述燃?xì)鉁u輪機(jī)。具體地，對渦輪機(jī)段的冷卻可通過利用壓縮機(jī)傳送的壓縮空氣作為冷卻流體來進(jìn)行。冷卻空氣可以具有例如300至600°之間的溫度，但是要顯著低于排出燃燒器的燃?xì)獾臏囟?即燃燒器出口溫度)，其大小可以在例如900至1600°C之間。在冷卻渦輪機(jī)段時，包括在其中的組件會經(jīng)受低于燃燒器出口溫度的溫度，諸如被冷卻流體溫度降低的近似燃燒器出ロ溫度。僅所確定的燃燒器出ロ溫度和冷卻流體溫度之差的部分，其是超過差閾值的部分，將對經(jīng)積分的第二差的值有貢獻(xiàn)?；蛘撸梢酝ㄟ^僅對所確定的燃燒器出ロ溫度的那些部分(位于冷卻流體溫度和差閾值之上的部分)將所確定的燃燒器出ロ溫度對時間間隔積分，以獲得積分值，然后從所獲得積分值中減去時間間隔和冷卻流體溫度及差閾值之和的積，從而獲得經(jīng)積分的第二差的值。
根據(jù)ー個實施例，控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的方法進(jìn)ー步包括如果經(jīng)積分的第一差的值大于第一閾值和/或經(jīng)積分的第二差的值大于第二閾值，則減少傳送到燃燒器的所述燃料和/或所述空氣。根據(jù)ー個實施例，如果經(jīng)積分的第一差的值大于第一閾值和/或經(jīng)積分的第ニ差的值大于第二閾值，則作為保護(hù)行為可以關(guān)閉燃?xì)鉁u輪機(jī)。由此，可以使用由經(jīng)積分的第一差和/或經(jīng)積分的第二差表示的面積(単位為攝氏度乘以秒)，并且該面積是應(yīng)該何時和/或何種程度地減少或增加傳送到燃燒器的燃料和/或空氣的臨界值。相比僅包括閾值溫度而不考慮渦輪機(jī)組件經(jīng)受超過閾值溫度的溫度的持續(xù)時間的常規(guī)臨界值相比，此新的臨界值更加適于保護(hù)渦輪機(jī)段的組件。由此，燃?xì)鉁u輪機(jī)可以在提供更高效率的溫度下運作，同時可以有效地保護(hù)它們的組件不受受損溫度影響。根據(jù)ー個實施例，控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的方法進(jìn)ー步包括當(dāng)經(jīng)積分的第一差的值小于或等于第一閾值和/或所述經(jīng)積分的第二差的值小于或等于所述第二閾值時，保持以未修正的速率向所述燃燒器傳送所述燃料和/或傳送所述空氣，其中，所確定的燃燒器出ロ溫度大于所述預(yù)定閾值溫度。由此，盡管所確定的燃燒器出口溫度超過預(yù)定閾值溫度(當(dāng)占據(jù)足夠長的時間時，這會導(dǎo)致渦輪機(jī)組件受損)，不中斷或減少燃?xì)鉁u輪機(jī)的組件，這是因為 受損溫度所占的持續(xù)時間還未足夠高到對渦輪機(jī)組件產(chǎn)生實際損壞。由此，可以提高燃?xì)鉁u輪機(jī)的利用或效率。根據(jù)ー個方面，提供了一種用于控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的控制單元，其中，控制單元適于控制和/或執(zhí)行如上所述的控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的方法。根據(jù)ー個方面，提供了一種計算機(jī)程序產(chǎn)品，其適于控制和/或執(zhí)行如上所述的確定從所述渦輪機(jī)的燃燒器排出的氣體的出口溫度的方法。應(yīng)該注意，已經(jīng)參照不同主題描述了本發(fā)明的實施例。具體地，一些實施例是針對方法權(quán)利要求進(jìn)行描述的，而其它實施例是針對裝置權(quán)利要求進(jìn)行描述的。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以從上文和下文描述中總結(jié)出，除非另有說明，否則除了屬于ー類主題的特征的結(jié)合之外，涉及不同主題的特征之間的任意結(jié)合(具體是方法權(quán)利要求的特征和裝置權(quán)利要求的特征之間的任意結(jié)合)也應(yīng)被認(rèn)為在本文公開。以上限定的方面和本發(fā)明的其它方面在下文描述的實施例的例子中是顯然的，并且參照實施例的例子對其進(jìn)行解釋。下文將參照實施例的例子更詳細(xì)地描述本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于此?，F(xiàn)在將參照附圖描述本發(fā)明的實施例。


圖I示意性地示出了根據(jù)ー個實施例的流程圖2示意性地示出了ー個燃?xì)鉁u輪機(jī)，其包括有根據(jù)ー個實施例的用于控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的控制單元；
圖3示意性地示出了ー個燃?xì)鉁u輪機(jī)的組件，通過根據(jù)一個實施例的控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的方法來保護(hù)該渦輪機(jī)組件不受到熱損壞；
圖4示出了一幅曲線圖，其圖示了根據(jù)ー個實施例的控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)；以及圖5a和圖5b示出了燃?xì)鉁u輪機(jī)中溫度的曲線圖。
具體實施例方式常規(guī)方法常依賴渦輪機(jī)操作溫度(Ttjp)來控制燃?xì)鉁u輪機(jī)。在エ業(yè)渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)的情形中，極限溫度可以由Ttjp渦輪機(jī)操作溫度來表示。圖5a示出在快速滿負(fù)荷接受期間和長時間發(fā)動機(jī)滿負(fù)荷期間Ttjp曲線的對比情況，其中操作溫度的時間依賴關(guān)系由曲線I繪制，其中Ttjp的計算方法為
Top = Tpte -Tm + KT, ^Tin -Tamb)
其中Tpte是平均功率渦輪機(jī)出ロ溫度，Tin是平均入口溫度，Tamb是環(huán)境參考溫度，Ktop是取決于燃料類型的常數(shù)。曲線2表示在操作燃?xì)鉁u輪機(jī)期間一定不能超過的極限操作溫度。
圖5b示出與圖5a所示的相同的滿負(fù)荷接受試驗，其中，在圖5b中，對比快速和緩慢瞬間的渦輪機(jī)入口溫度TET (由曲線3表示)。圖5a和5b示出達(dá)到峰值TET溫度3遠(yuǎn)早于達(dá)到最大 ；ρ。還可以觀察到，即使操作溫度Ttjp未達(dá)到TLT，TET也可以顯著高于曲線4所示的同等的TET極限。由于渦輪機(jī)出ロ處的熱電偶探頭可以被構(gòu)造為準(zhǔn)確和耐用而是不快速響應(yīng)，因此Top (圖5a中的曲線I)可能不反應(yīng)真實的臨界溫度。盡管考慮到這種信號滯后對長時間的發(fā)動機(jī)加速不是關(guān)鍵的，但是當(dāng)嘗試精確補(bǔ)償短時快速加速期間的熱電偶動力吋，這種延遲變得非常重要。為了緩和此問題，在此申請中提出額外的溫度極限控制參數(shù)，其可以在快速發(fā)動機(jī)瞬間充分地反應(yīng)真實的臨界渦輪機(jī)溫度。瞬態(tài)渦輪機(jī)入口溫度-CET計算
為了確定燃燒器出ロ溫度CET (排出燃燒器的燃料和空氣的燃燒混合物的溫度)，具體是瞬態(tài)CET，在方程(I)中可以采用燃燒室能量轉(zhuǎn)化平衡，如下
Cpa^mair + CpJkdTjhelMjkd + IIcombLCVmjkd ニ CpmmbCETrncomb 方程
(O
其中
是傳送到燃燒器的空氣的質(zhì)量流量；
南細(xì)是傳送到燃燒器的燃料的質(zhì)量流量；
Tair是傳送到燃燒器的空氣的溫度；
Tfuel是傳送到燃燒器的燃料的溫度；ncomb是取決于CET和燃料類型的燃燒器效率；
LCV是低發(fā)熱值，有時也被稱作燃料的低加熱值(LHV)或凈發(fā)熱值，其被定義為燃燒特定量(最初在25°C或其它參考狀態(tài))并使燃燒產(chǎn)物的溫度返回例如150°C所釋放的熱量。因此，LHV假設(shè)在燃燒結(jié)束時所有水成分都在蒸汽狀態(tài)(在燃燒產(chǎn)物中)，這與假設(shè)所有水成分為燃燒氣體的液體形式的高加熱值(HHV)相反；LCV取決于燃料類型；
Cpair> Cpfule, Cpcomb是分別是傳送到燃燒器的空氣和燃料的比熱容，和空氣和燃料的燃燒混合物的比熱容；以及是排出燃燒器的燃料和空氣燃燒混合物的質(zhì)量流量。人們可利用以下迭代方程(2)來計算瞬態(tài)CET
權(quán)利要求
1.確定從燃?xì)鉁u輪機(jī)(10)的燃燒器(24)排出的氣體的出ロ溫度的方法，所述方法包括 確定正傳送到所述燃燒器的燃料的質(zhì)量流量和溫度； 確定正傳送到所述燃燒器的空氣的質(zhì)量流量和溫度； 確定正傳送到所述燃燒器的所述燃料和所述空氣的燃燒混合物的比熱容的溫度依賴性；以及 基于所確定的所述燃料的質(zhì)量流量和溫度、所確定的所述空氣的質(zhì)量流量和溫度、以及所確定的所述燃燒混合物的比熱容的溫度依賴性，來確定從所述燃燒器排出的所述燃燒混合物的出ロ溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，確定所述燃燒混合物的比熱容的溫度依賴性包括近似得到所述比熱容，具體是通過溫度的一個多項式來近似得到所述比熱容。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其中，確定所述出ロ溫度包括建立迭代方程和將所述迭代方程應(yīng)用于至少ー預(yù)定的開始出ロ溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，確定所述出ロ溫度進(jìn)ー步包括限定閾值并且迭代地應(yīng)用所述迭代方程，以重復(fù)地從上ー出口溫度獲得隨后的出口溫度，其中，如果所述隨后的出ロ溫度和所述上ー出ロ溫度之間的差小于所述閾值時，停止迭代地應(yīng)用所述迭代方程，其中，所獲得的隨后的出口溫度被確定為所述出口溫度。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，確定傳送到所述燃燒器的所述燃料的質(zhì)量流量和溫度包括 確定控制將所述燃料傳送到所述燃燒器的閥門的狀態(tài)；和/或 測量所述燃料的溫度。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，確定所述空氣的溫度包括 測量傳送到所述燃燒器的所述空氣的溫度。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，確定所述空氣的質(zhì)量流量包括 確定所述燃燒混合物的質(zhì)量流量； 確定傳送到所述燃燒器的所述燃料的質(zhì)量流量；以及 基于所確定的所述燃燒混合物的質(zhì)量流量和所確定的所述燃料的質(zhì)量流量，確定所述空氣的質(zhì)量流量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，確定所述燃燒混合物的質(zhì)量流量包括 在將空氣傳送到所述燃燒器的壓縮機(jī)出口處測量空氣壓カ； 基于所測量的溫度值計算所述燃燒混合物的近似溫度；以及 基于所測量的壓カ和所計算的所述燃燒混合物的溫度，確定所述燃燒混合物的質(zhì)量流量。
9.控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的方法，所述方法包括 確定從所述燃?xì)鉁u輪機(jī)的燃燒器排出的氣體的燃燒器出ロ溫度，特別是根據(jù)權(quán)利要求I至8之一所述的方法來確定從所述燃?xì)鉁u輪機(jī)的燃燒器排出的氣體的燃燒器出口溫度； 將從所述燃燒器排出的所述氣體導(dǎo)引到所述燃?xì)鉁u輪機(jī)的渦輪機(jī)段； 基于所確定的燃燒器出口溫度控制所述燃?xì)鉁u輪機(jī)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進(jìn)ー步包括 如果所確定的燃燒器出口溫度和預(yù)定閾值溫度(T_lim)之間的第一差大于零，則將所述第一差對時間間隔求積分，其中，基于經(jīng)積分的第一差的值來控制所述燃?xì)鉁u輪機(jī)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，進(jìn)ー步包括 用具有冷卻流體溫度的冷卻流體來冷卻所述渦輪機(jī)段；以及 所確定的燃燒器出口溫度與所述冷卻流體溫度加上差閾值(Allim)的和之間的差為第二差(Λ T)，在所述第二差大于零的情況下，將所述第二差對時間間隔求積分，其中，基于經(jīng)積分的第二差的值控制所述燃?xì)鉁u輪機(jī)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，進(jìn)ー步包括 如果經(jīng)積分的第一差的值大于第一閾值和/或經(jīng)積分的第二差的值大于第二閾值，則減少傳送到燃燒器的所述燃料和/或所述空氣或者關(guān)閉發(fā)動機(jī)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)ー步包括 當(dāng)所述經(jīng)積分的第一差的值小于或等于所述第一閾值和/或所述經(jīng)積分的第二差的值小于或等于所述第二閾值時，保持向所述燃燒器傳送所述燃料和/或傳送所述空氣，其中，所確定的燃燒器出口溫度大于所述預(yù)定閾值溫度。
14.一種用于控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的控制單元，其中，所述控制単元適于控制和/或執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求9至13之一所述的方法。
15.一種計算機(jī)程序產(chǎn)品，其適于控制和/或執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求I至8之一所述的方法。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種確定從燃?xì)鉁u輪機(jī)(10)的燃燒器(24)排出的氣體的出口溫度的方法，所述方法包括確定正傳送到所述燃燒器的燃料的質(zhì)量流量和溫度；確定正傳送到所述燃燒器的空氣的質(zhì)量流量和溫度；確定正傳送到所述燃燒器的所述燃料和所述空氣的燃燒混合物的比熱容的溫度依賴性；以及基于所確定的所述燃料的質(zhì)量流量和溫度、所確定的所述空氣的質(zhì)量流量和溫度以及所確定的所述燃燒混合物的比熱容的溫度依賴性，來確定從所述燃燒器排出的所述燃燒混合物的出口溫度。此外，本發(fā)明描述了一種控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的方法。
文檔編號F23N5/18GK102762840SQ201080063632
公開日2012年10月31日 申請日期2010年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月12日
發(fā)明者V.帕諾夫 申請人:西門子公司