用于調節(jié)和/或控制燃燒系統(tǒng)中的燃氣輪機的操縱變量的方法
【專利摘要】發(fā)明涉及用于使用根據(jù)發(fā)明的三個子模型調節(jié)和/或控制燃燒系統(tǒng)中的燃氣輪機的操縱變量(25)的方法。
【專利說明】
用于調節(jié)和/或控制燃燒系統(tǒng)中的燃氣輪機的操縱變量的方法
技術領域
[0001]發(fā)明涉及用于調節(jié)和/或控制燃燒系統(tǒng)中的燃氣輪機的操縱變量的方法。
【背景技術】
[0002]燃氣輪機是連續(xù)流機器，其一般包括壓氣機、渦輪機和燃燒室部分。吸入的環(huán)境空氣在壓氣機中被壓縮并且壓縮空氣最終被給送至燃燒室部分。通常具有壓縮空氣被供給至其中的多個燃燒器的至少一個燃燒室被布置在燃燒室部分中。除壓縮空氣之外，燃料被另外地供給至燃燒器，其與空氣混合并且燃燒。在該情況中在燃燒室中產生的熱燃燒排氣被供給至膨脹渦輪機，在那里它們膨脹并冷卻下來并且同時使燃氣輪機旋轉。以該方式，燃燒排氣的熱能被轉化成機械功，其一方面用來驅動壓氣機，并且另一方面用來驅動消耗器、例如用于生成電流的發(fā)電機。
[0003]有必要設定特定的氣體質量流以設定期望的燃氣輪機功率。該氣質量流被分配到不同的燃燒器級內。若干參數(shù)被并入該分配內。這些參數(shù)對不同燃氣輪機系統(tǒng)而言是變化的，即使它們在結構上相同。這些變化的原因是不同的環(huán)境條件(燃氣輪機系統(tǒng)的設置場所)、氣體質量和特定的消耗器要求。另外，燃氣輪機參數(shù)可能會在燃氣輪機系統(tǒng)的操作期間經(jīng)受隨時間的改變。這導致燃燒參數(shù)的耗時的重新設定或重新調整會變得必要。由設定過程引起高成本和停機時間。
[0004]在燃燒室中的燃燒期間，需要確保提供穩(wěn)定的火焰?；鹧娴牟环€(wěn)定特別是作為諧振熱釋放變化的結果而發(fā)生并且可能會引起燃燒室的振蕩和振動，這降低了燃燒室的使用壽命并縮短了維修間隔。另外，可能由此導致增加的污染物排放。燃燒振蕩的發(fā)生也稱作蜂鳴(buzzing)。火焰的穩(wěn)定性受到大量干擾變量的影響。
[0005]在燃氣輪機中，燃料的至各種燃燒器級的分配對蜂鳴表現(xiàn)和排放具有決定性影響。兩個變量必須被最小化或至少保持低于閾值。然而蜂鳴和排放也受到例如環(huán)境狀態(tài)、老齡化效應、弄污等的“干擾變量”的影響。進一步的干擾變量的示例是環(huán)境溫度、燃料的密度和熱值，而且還有燃氣輪機系統(tǒng)、特別是燃燒室和燃燒器的結構條件。
[0006]迄今為止，將用于各操作狀態(tài)的值分派給操縱變量的特性圖已存儲在控制技術中。操縱變量在該情況中是用于調節(jié)工業(yè)系統(tǒng)的設定變量，其中操縱變量也可以優(yōu)選地對應于技術系統(tǒng)的狀態(tài)變量。如果干擾變量能夠計量地獲取到，則仍然可以引入特定的校正函數(shù)，例如，取決于環(huán)境溫度的燃料比例的調制。因為操縱變量和干擾變量的對蜂鳴和排放的影響僅不充分地已知并且一些干擾變量甚至不能計量地獲取到，所以基于特性圖的該控制總是導致增加的排放或不許可地強的蜂鳴。

【發(fā)明內容】

[0007]因此發(fā)明的目的是提供一種降低或避免上述問題的方法的規(guī)范。
[0008]目的通過一種用于調節(jié)和/或控制燃燒系統(tǒng)中的燃氣輪機的操縱變量的方法的規(guī)范來實現(xiàn)，其中至少
[0009]-制備燃氣輪機的具有描述了燃燒系統(tǒng)中的燃氣輪機的排放表現(xiàn)的第一預期值的一個第一子模型，
[0010]-制備燃氣輪機的具有描述了燃氣輪機的穩(wěn)定性表現(xiàn)的第二預期值的一個第二子模型，
[0011 ]-制備具有描述了燃氣輪機的熱力學性能的第三預期值的一個第三子模型，
[0012]-并且其中第一子模型在燃氣輪機的啟動之前制備并且第二子模型和第三子模型在燃氣輪機的啟動期間制備，
[0013]-并且其中操縱變量至少在由第一、第二和第三子模型供給的第一預期值、第二預期值和第三預期值的幫助下設定，使得能夠實現(xiàn)燃氣輪機的優(yōu)化操作，
[0014]-其中第一子模型、第二子模型和第三子模型在燃氣輪機的操作期間被以時間追蹤的方式更新，在于通過各自的子模型計算出的預期值被調適成與預期值相關聯(lián)并且測量出的測得值，
[0015]-并且其中在操作狀態(tài)的改變的情況中，操縱變量在時間追蹤的子模型的基礎上設定，使得能夠實現(xiàn)燃氣輪機的優(yōu)化操作。
[0016]根據(jù)發(fā)明已認識到，在現(xiàn)代多級燃燒系統(tǒng)中，作為增加數(shù)量的操縱變量、例如多個燃料分解的結果，可能不再執(zhí)行燃燒表現(xiàn)的“手動”優(yōu)化。在該情況中，操作狀態(tài)上的改變包括例如與年齡有關的改變或者還有干擾變量的值的改變。
[0017]根據(jù)發(fā)明，現(xiàn)在制備至少三個子模型。第一子模型描述了燃燒系統(tǒng)的排放表現(xiàn)并且可以例如在燃燒器測試臺上查明，即，第一子模型供給描述了燃燒系統(tǒng)中的燃氣輪機的排放表現(xiàn)的預期值。第一子模型在與預期值相關聯(lián)的測量數(shù)據(jù)的基礎上被以時間追蹤的方式更新。在該情況中，更新是在運行操作期間以某一時間延遲進行。第二子模型描述了穩(wěn)定性表現(xiàn)并且在燃氣輪機的操作期間制備并且在燃氣輪機的運行操作期間被以時間追蹤的方式更新。在該情況中，第二子模型可以在燃燒啟動期間制備。還制備具有描述了燃氣輪機的熱動力性能的第三預期值的第三子模型。這例如是燃氣輪機進口溫度。在該情況中，第三子模型可以在當前測量數(shù)據(jù)的幫助下在操作中被以時間追蹤的方式更新。
[0018]根據(jù)發(fā)明，單個模型的輸入?yún)?shù)的數(shù)量通過分成子模型而減少。因此，例如，排放表現(xiàn)可以在不考慮燃氣輪機限制值(機器限制)的情況下獲取到。
[0019]如果操縱變量尤其例如是燃料的分配，則這些燃料的比例因此可以根據(jù)發(fā)明被設定為“操縱變量”，使得在改變干擾變量的情況中，蜂鳴和排放被最小化或者至少保持在每一個負載點時的閾值以下。從燃氣輪機系統(tǒng)表現(xiàn)和當前狀態(tài)的知識出發(fā)，現(xiàn)在可以使用發(fā)明來執(zhí)行操縱變量的優(yōu)化，例如以便在維持沒有延長的測試階段的邊界參數(shù)的情況下實現(xiàn)期望的性能。
[0020]使用根據(jù)發(fā)明的用于至少三個子模型的組合的方法，現(xiàn)在能夠關于多個目標變量(排放、蜂鳴、渦輪機進口溫度)實現(xiàn)操縱變量(燃料質量流、燃料比例)的自動優(yōu)化。
[0021 ]在優(yōu)選實施例中，在子模型的時間追蹤的更新之后，第一、第二和第三時間追蹤的子模型返回改變的第一、第二和第三預期值，其中改變的第一、第二和第三預期值中的至少一個不同于原始的第一、第二和第三預期值，并且其中操縱變量中的至少一個至少在這些改變的第一、第二和第三預期值的幫助下被改變使得能夠實現(xiàn)燃氣輪機的優(yōu)化操作。
[0022]在優(yōu)選實施例中，在目標函數(shù)的條件優(yōu)化的基礎上確定優(yōu)化操作，其中三個子模型的至少返回的預期值被并入條件內。
[0023]當測得值中的至少一個與從各自的子模型返回的相關聯(lián)的預期值的差異達到預定閾值時，優(yōu)選首先進行時間追蹤的更新。該閾值是以模型特定的方式且與子模型有關地建立。閾值隨著增加的老化而增加。如果該模型特定的閾值被超過，那么受影響的子模型被調適成當前狀態(tài)、即被追蹤。各種方法可以被用于該追蹤，例如最小二乘、卡爾曼濾波器。
[0024]在優(yōu)選實施例中，燃燒排氣中的NOx含量和/或燃燒氣體中的CO含量和/或經(jīng)由燃燒器室的壓降被用作第一子模型的至少一個預期值。
[0025]燃氣輪機優(yōu)選地具有至少一個燃燒器，其中至少一個燃燒器參數(shù)被用作第二子模型的至少一個預期值。
[0026]燃氣輪機進口溫度和/或壓氣機進口質量流和/或化學燃料組成被優(yōu)選地用作第三子模型的至少一個預期值。
【附圖說明】
[0027]本發(fā)明的進一步的特征、性質和優(yōu)點從參照附圖進行的以下描述得到。在圖中:
[0028]圖1:示意性地示出了該方法。
【具體實施方式】
[0029]第一子模型I查明燃燒系統(tǒng)的排放表現(xiàn)。第一子模型I在燃氣輪機10的啟動之前初始在燃燒器測試臺上制備la，S卩，第一子模型I是基于在其上計算出/測量出的預期值。用于描述了燃燒系統(tǒng)中的燃氣輪機10的排放表現(xiàn)的第一子模型I的預期值、這里例如是氮氧化物含量(NOx含量)和一氧化碳含量(CO含量)的計算的合適輸入值是例如點火溫度(用測得的排氣溫度表達)、入口引導翼片的位置和溫度及相對濕度的環(huán)境參數(shù)。這可以例如借助于可用于氣體的連續(xù)測量的分析系統(tǒng)、例如ga sme t分析系統(tǒng)來進行。該ga sme t特別適于測量污染物濃度并且可以關于相關成分(NOx/CO)的比例測定排氣。這些參數(shù)接著被用于第一子模型I。
[0030]燃氣輪機10的第一子模型I現(xiàn)在包含描述了燃燒系統(tǒng)中的燃氣輪機10的排放表現(xiàn)的第一預期值lc。第一子模型I在燃氣輪機的啟動之前制備并且在燃氣輪機的操作期間以時間追蹤的方式更新。即，第一子模型I現(xiàn)在供給用于期望的目標變量、例如NOx、環(huán)境濕度、幅值等的預期值lc，其可以與真實所得變量、即真實測得值Ib進行比較，S卩，計算出預期值Ic與相關聯(lián)的測得值的差?？梢詰{借該比較生成差異值、下文中稱作增量值的數(shù)據(jù)庫。這些增量值的水平將隨著增加的年齡而增加。如果超過模型特定的限定閾值Is，那么受影響的第一子模型I被以校正值Ik調適或追蹤In至當前狀態(tài)?？梢允褂酶鞣N方法來追蹤子模型I的期望值。這可以例如通過諸如最小二乘、卡爾曼濾波器(Kalman filter)等的數(shù)學方法來進行。需要注意的是，在沒有改變操作狀態(tài)、即沒有老化、干擾變量的發(fā)生等的情況下，第一子模型I供給對應于測得值Ib的預期值lc。
[0031]燃氣輪機的第二子模型2包含描述了燃氣輪機的穩(wěn)定性表現(xiàn)的第二預期值2c。這些例如是燃燒室參數(shù)/燃燒器參數(shù)，它們對于穩(wěn)定性表現(xiàn)是必要的、即它們可以基本上用于燃氣輪機中的蜂鳴和燃燒器室振蕩。這些參數(shù)基本上是振蕩變量，它們可以經(jīng)由快速傅里葉變換(FFT)被分配成頻率和幅值用于評價。FFT代表用于按時間順序分析可變變量的特別合適的手段。這些參數(shù)現(xiàn)在用于第二子模型2。
[0032]第二子模型2描述了穩(wěn)定性表現(xiàn)并且在燃燒啟動期間制備2a，S卩，第二子模型2是基于在其中測量出的參數(shù)。第二子模型2在燃氣輪機的操作期間被以時間追蹤的方式更新。SP，第二子模型2現(xiàn)在供給用于期望的目標變量、例如NOx、燃氣輪機進口溫度、幅值等的預期值2c，其可以與真實所得變量、即真實測得值2b進行比較，S卩，計算出預期值2c與測得值2b的差異。可以憑借該比較生成差異值、下文中也稱作增量值的數(shù)據(jù)庫。這些增量值的水平將隨著增加的年齡而增加。如果模型特定的限定閾值2s被超過，那么受影響的第二子模型2被以校正值2k調適或追蹤2n至當前狀態(tài)。各種方法可以用于子模型2的預期值2c的追蹤。這也可以通過諸如最小二乘、卡爾曼濾波器等的數(shù)學方法來進行。需要注意的是，在沒有老化的情況下，第二子模型2供給對應于測得值2b的預期值2c。
[0033]第三子模型3包含描述了燃氣輪機的熱力學性能的第三燃氣輪機參數(shù)。第三模型3因此是性能模型。它例如被構造為熱力學參數(shù)被并入其內的數(shù)據(jù)庫。這些參數(shù)被用于燃氣輪機的熱力學平衡。這些可以例如是燃氣輪機進口溫度、壓氣機進口質量流、化學燃料組成等。第三子模型3現(xiàn)在供給用于期望的目標變量、例如NOx、燃氣輪機進口溫度、幅值等的預期值3c，其可以與真實所得變量、即真實測量值3b進行比較，S卩，計算出預期值3c與相關聯(lián)的測得值3b的差異。可以憑借該比較生成差異值、下文中也稱作增量值的數(shù)據(jù)庫。這些增量值的水平將隨著增加的年齡而增加。如果模型特定的限定閾值3c被超過，那么受影響的子模型3被以校正值3k調適或追蹤3n至當前狀態(tài)。各種方法可以用于子模型3的預期值3c的追蹤。這也可以通過諸如最小二乘、卡爾曼濾波器等的數(shù)學方法來進行。需要注意的是，在沒有老化的情況下，第二子模型3供給對應于測得值3b的預期值3c。
[0034]如果操作狀態(tài)現(xiàn)在被改變20、例如通過性能要求被通信至燃氣輪機，則現(xiàn)在可以在當前操作的基礎上查明具有測得值的三個當前測量參數(shù)設定lb、2b、3b，其作為干擾變量的結果和/或因為老化而不同于之前測量出的測得值lc、2c、3c。三個子模型1、2、3在測得值lb、2b、3b的幫助下被如上所述地追蹤并且供給新的預期值lc、2c、3c。這些例如被存儲在也可以稱作組合模型4的共享數(shù)據(jù)庫中。
[0035]從系統(tǒng)表現(xiàn)、即燃氣輪機表現(xiàn)的知識出發(fā)，通過具有預期值設定lc、2c、3c的三個被追蹤的子模型1、2、3和當前狀態(tài)，現(xiàn)在可以執(zhí)行預定的目標函數(shù)15的優(yōu)化和因此的操縱變量25的優(yōu)化。
[0036]在該情況中，優(yōu)化是利用另外的輔助條件和/或邊界條件的優(yōu)化。在它們的本質上不同于實際主要問題并且需要另外滿足的這些條件在該情況中被稱作輔助條件。邊界條件在該情況中在三個被追蹤的子模型1、2、3的幫助下制備。在該情況中，關于NOx和CO的受限限制值通過被追蹤的子模型I來查明，接著使用該限制值制定出用于目標函數(shù)15的邊界條件。
[0037]關于蜂鳴的受限限制值(S卩，用于作為頻帶的函數(shù)的幅值的限制值)通過被追蹤的子模型2來查明，接著使用該限制值制定出用于目標函數(shù)15的邊界條件。即，用于最佳排放表現(xiàn)的設定參數(shù)在機器的當前蜂鳴表現(xiàn)的考慮下確定。這意味著第二子模型2指定機器、SP框架的其中預期值2c可以被迀移而對操作沒有負面影響的穩(wěn)定性限制。
[0038]關于燃氣輪機進口溫度、燃氣輪機出口溫度和功率的受限限制值現(xiàn)在通過被追蹤的子模型3來查明，使得它們總是處于間隔的保證值+/-兼容的測試公差中，并且接著使用這些限制值制定出用于目標函數(shù)15的邊界條件。待優(yōu)化的目標函數(shù)15在該情況中包括各種操縱變量25。這些操縱變量25中的一個例如是翼片調整，特別是引導翼片調整(GVA)。因此，例如，根據(jù)發(fā)明，可以在維持沒有延長的測試階段的邊界參數(shù)的情況下獲得期望的功率。
[0039]因此，例如，通過子模型3查明的并且也被并入邊界條件內的燃氣輪機進口溫度和燃氣輪機出口溫度的受限限制值可以與通過目標函數(shù)15查明的操縱變量25—起使用，以在維持用于連接至燃氣輪機的鍋爐的操作的條件的情況下以相等功率確定用于燃燒的更有利的燃氣輪機進口溫度。
[0040]在供給關于各種變量的自動優(yōu)化的操作點的子模型1、2、3的幫助下，預定的目標函數(shù)15現(xiàn)在可以被優(yōu)化并且操縱變量25可以相應地變化、即被以優(yōu)化的形式中繼至燃氣輪機。
[0041]通過分成子模型1、2、3的方式，至少排放表現(xiàn)或排放表現(xiàn)和穩(wěn)定性表現(xiàn)可以獲取到而不用考慮機器限制。單個模型1、2、3的輸入?yún)?shù)的數(shù)量與如現(xiàn)有技術中的總模型相比可以被減少。
[0042]根據(jù)發(fā)明，總燃燒模型因此被分成穩(wěn)定性、排放和性能子模型1、2、3。此外。這些子模型1、2、3也按時間順序追蹤。
[0043]因此例如燃氣輪機進口溫度的計算出的受限限制值也被并入計算內也是可能的，這導致穩(wěn)定的燃燒、特別是在部分負載時。
[0044]在該發(fā)明中，該方法被描述為用于操縱變量25(GVA、燃料質量流、燃料比例)的相對于多個目標變量(性能、TTl、Ν0χ、蜂鳴)的自動優(yōu)化的時間追蹤的子模型1、2、3的組合。因此產生顯著降低的調節(jié)支出。另外，燃氣輪機總是處于最佳操作點，其中最佳可以為消費者而專門地限定。也產生了燃氣輪機的老化表現(xiàn)的關于穩(wěn)定性、排放和性能的補償。
【主權項】
1.一種用于調節(jié)和/或控制燃燒系統(tǒng)中的燃氣輪機的操縱變量(25)的方法，其特征在于，至少 -制備所述燃氣輪機的具有描述了所述燃燒系統(tǒng)中的所述燃氣輪機的排放表現(xiàn)的第一預期值(Ic)的一個第一子模型(I)， -制備所述燃氣輪機的具有描述了所述燃氣輪機的穩(wěn)定性表現(xiàn)的第二預期值(2c)的一個第二子模型(2)， -制備具有描述了所述燃氣輪機的熱力學性能的第三預期值(3c)的一個第三子模型⑶， -并且其中所述第一子模型(I)在所述燃氣輪機的啟動之前制備并且所述第二子模型(2)和所述第三子模型(3)在所述燃氣輪機的啟動期間制備， -并且其中所述操縱變量(25)至少在由所述第一、第二和第三子模型(I，2，3)供給的所述第一預期值(lc)、所述第二預期值(2c)和所述第三預期值(3c)的幫助下設定，使得能夠實現(xiàn)所述燃氣輪機的優(yōu)化操作， -其中所述第一子模型(I)、所述第二子模型(2)和所述第三子模型(3)在所述燃氣輪機的操作期間被以時間追蹤的方式更新(ln，2n，3n)，在于通過各自的子模型(1，2，3)計算出的所述預期值(lc，2c，3c)被調適成與所述預期值(lc，2c，3c)相關聯(lián)的并且測量出的測得值(lb，2b，3b)， -并且其中在操作狀態(tài)的改變的情況中，所述操縱變量(25)在所述時間追蹤的子模型(1,2,3)的基礎上設定，使得能夠實現(xiàn)所述燃氣輪機的優(yōu)化操作。2.如權利要求1所述的用于調節(jié)和/或控制的方法， 其特征在于，在所述子模型的所述時間追蹤的更新之后，所述第一、第二和第三時間追蹤的子模型返回改變的第一、第二和第三預期值(lc，2c，3c)，并且其中所述改變的第一、第二和第三預期值(lc，2c，3c)中的至少一個不同于所述原始的第一、第二和第三預期值(lc，2c，3c)，并且其中所述操縱變量中的至少一個至少在所述改變的第一、第二和第三預期值(Ic，2c，3c)的幫助下被改變使得能夠實現(xiàn)所述燃氣輪機的優(yōu)化操作。3.如權利要求1或2所述的用于調節(jié)和/或控制的方法， 其特征在于，在目標函數(shù)(15)的條件優(yōu)化的基礎上確定所述優(yōu)化操作，并且其中至少所述三個子模型(1，2，3)的所述返回的預期值(lc，2c，3c)被并入所述條件內。4.如前述權利要求中的任一個所述的用于調節(jié)和/或控制的方法， 其特征在于，當測得值(lb，2b，3b)中的至少一個與從所述各自的子模型(1，2，3)返回的相關聯(lián)的預期值(lc，2c，3c)的差異達到預定閾值(ls，2s，3s)時，首先進行時間追蹤的更新。5.如前述權利要求中的任一個所述的用于調節(jié)和/或控制的方法， 其特征在于，燃燒排氣中的NOx含量和/或燃燒氣體中的CO含量和/或經(jīng)由壓力室的壓降被用作所述第一子模型(I)的至少一個預期值(Ic)。6.如前述權利要求中的任一個所述的用于調節(jié)和/或控制的方法， 其特征在于，所述燃氣輪機具有至少一個燃燒器并且至少一個燃燒器參數(shù)被用作所述第二子模型(2c)的至少一個預期值(2c)。7.如前述權利要求中的任一個所述的用于調節(jié)和/或控制的方法， 其特征在于，燃氣輪機進口溫度和/或壓氣機進口質量流和/或化學燃料組成被用作所述第三子模型(3)的至少一個預期值(3c)。
【文檔編號】F02C9/00GK105829682SQ201480069188
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2014年12月5日
【發(fā)明人】C·阿曼, B·貝克曼, E·多伊克, K·卡道, B·F·科克, G·羅爾曼, S·施米茨, M·茨溫根貝格
【申請人】西門子股份公司