CN104919160B

CN104919160B - 燃气轮机燃料供给方法和装置

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Publication number: CN104919160B
Application number: CN201380070376.3A
Authority: CN
Inventors: G.H.戴维斯; M.史密斯
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2018-04-10
Anticipated expiration: 2033-11-05
Also published as: EP2925985B1; CA2891736A1; EP2738373A1; US20150315979A1; CA2891736C; RU2611543C2; US9909509B2; RU2015121116A; EP2925985A1; WO2014086541A1; CN104919160A

Abstract

燃气轮机燃料供给方法和装置。描述了一种控制给燃气轮机的燃烧器供给燃料的方法，所述燃气轮机包括位于所述燃烧器上游的压缩器，所述方法包括：给所述燃烧器(101)供给燃料(105)；获得压缩器入口处的入口空气压力(PT7)；获得压缩器入口处的入口空气温度(Tinlet)；获得压缩器出口处的出口空气压力(PT8)；获得表示未被供给到所述燃烧器的空气量的空气排出信号(THBOV)；基于所述入口空气压力(PT7)、所述入口空气温度(Tinlet)、所述出口空气压力(PT8)和所述空气排出信号(THBOV)评估供给到所述燃烧器(101)的燃料(105)的热输入(HIengmodle，HIexpected)；比较评估的热输入(HIengmodel，HIexpected)与期望热输入(FFDEM)，以导出误差信号(121)；以及基于所述误差信号(121)控制燃料阀(103)，所述燃料阀调节给所述燃烧器(101)的燃料(105)供给。

Description

燃气轮机燃料供给方法和装置

技术领域

本发明涉及一种控制给燃气轮机燃烧器的燃料供给的方法和装置，燃气轮机包括位于燃烧器上游的压缩器，其中，尤其考虑了所供给燃料的成分的变化。

背景技术

地面固定式燃气轮机，比如燃气轮机，包括压缩器部分、燃烧器部分和涡轮部分，压缩器部分用于压缩空气，在燃烧器部分中，燃料与压缩空气燃烧，在涡轮部分中，排出的燃烧的燃料空气混合物用于驱动涡轮部分的旋转，以产生机械能，特别地，从中还可产生电能。这种燃气轮机要求燃料供给控制，其可要求了解燃料加热值(尤其“低热值”或“LCV”)及燃料密度。

燃气轮机的大多数应用或操作状况可具有比较一致或恒定的气体燃料供给，所以这些值不会明显变化。然而，燃气轮机的其它应用或操作状况可包括接收不同或各种或变化的气体燃料，在这些变化的气体燃料之间快速变化。因此，可妥协发动机控制的稳定性及可允许发动机操作范围的运行状况和限制。

在希望一致或恒定燃料成分作为供给燃料的环境或操作状况下，LCV值和比重(“SG”)可由燃气轮机的使用者(可已执行了燃料分析)提供，从LCV值和比重可计算出燃料的质量密度，其中，该燃料分析或其结果已在试运转期间进入控制系统中。之后，在常规系统中，假设燃料的物理/化学属性是恒定的，包括假设一致和LCV和SG。

EP0727574A1公开了一种调节内燃机的NOx排放物的方法和设备，其中，已发现，内燃机的机械效率和燃料温度之间有关系，燃烧温度对于NOx排放物十分重要。

EP1387073A2公开了用于内燃机的电荷密度控制，其中，表示发动机的燃烧混合物的期望电荷密度的值根据发动机的发动机转速和发动机的负荷确定。

US2009/0192698A1公开了一种用于自动控制固定式燃气发动机的方法，其中，发动机转速控制偏差从设定发动机转速和实际发动机转速计算出，设定扭矩通过速度控制器从速度控制偏差确定为校正变量，设定体积流量根据设定扭矩确定，以确立混合节流角和气体节流角，其中，设定体积流量变量以通过校正因子调节气体节流角。

US4380898公开了一种用于燃气轮机发动机的燃料控制系统，其中，调整器设备减少了发动机几何结构在冷起动时变化的效果，其中，调整器使用节流杆角和发动机入口压力来计算推力相关参数的期望值。

EP2450551A2公开了补偿燃气轮机中的燃料成分变化的系统和方法，该方法包括监控与涡轮燃烧器相关的至少一个燃料参数；监控与涡轮燃烧器相关的一个或多个燃烧动态特性；监控与涡轮相关的一个或多个性能性能和发射特性；至少部分地基于至少一个燃料参数、一个或多个燃烧动态特性及一个或多个性能和发射特性估计燃料成分；以及至少部分地基于估计的燃料成分调节至少一个燃料参数。

如果燃料成分在燃气轮机操作期间变化，则管理器会自动地调节燃料阀以维持闭环控制目的(通常输出轴速度)。然而，当理解期望热输入时，在发动机上存在借助燃料热输入的预定边界获得的操作极限，因为燃料系统施加燃料低热值(LCV)和比重(SG)，如果燃料成分改变，则这些边界有效地移动。这会导致妥协的瞬间操作，比如压缩器级或故障，以加速气体发生器(“阻塞”)。另一问题可由PI控制器中的管理器增益(变得不正确，潜在地危害操作稳定性)导致。

需要一种控制给燃气轮机的燃烧器供给燃料的方法和装置，该燃气轮机包括位于燃烧器上游的压缩器，其中，考虑了燃料的成分或物理/化学属性的至少部分不可控变化，尤其使燃气轮机的稳定操作成为可能。

上述需求由独立权利要求的主题满足。从属权利要求明确说明本发明的特定实施例。

发明内容

各实施例提供了对发动机控制系统内的燃料LCV的评估，以改变燃料成分。

根据本发明的实施例，提供了一种控制给燃气轮机的燃烧器燃料供给(尤其为体积流率、每次量、质量流率)的(尤其为至少部分地处理器或计算系统实施的)方法，燃气轮机包括位于燃烧器上游(相对于在压缩器内压缩的空气的流动方向)的压缩器，该方法包括给燃烧器供给(尤其经由导管或管道)燃料；获得压缩器入口(例如，空气进入压缩器)处的入口空气压力(PT7)；获得压缩器入口处的入口空气温度(Tinlet)；获得压缩器出口(例如，压缩空气离开压缩器和/或进入燃烧器)处的出口空气压力(PT8)；获得表示未供给到燃烧器的空气量(在压缩器和燃烧器上游之后，空气量可分裂)的空气排出信号(THBOV)；基于入口空气压力、入口空气温度、出口空气压力和空气排出信号(THBOV)评估供给到燃烧器的燃料(比如流体，尤其为气体和/或液体)的热输入(例如加热输入、加热值、能量值、HIengmodel)；比较(例如，涉及算术/逻辑计算)被评估的热输入与期望热输入(例如，预期热输入、FFDEM)以导出误差信号；以及基于误差信号控制调节给燃烧器供给燃料(例如流率)的燃料阀(或多个燃料阀)。

到发动机的热输入可以kW测量，并可表示每单位时间内包含在燃料和压缩空气混合物中的(化学或燃烧)能量。热输入可以例如由LCV乘以质量流或体积流定义。

燃料的低热值LCV是单位为kJ/kg或kJ/m^3的“特定”量(燃料的每单位质量或单位体积)。在本文件和该方法的情形下，LCV可以是体积的，所以由kJ/(正常_m^3)的单位表示(正常_m^3是气体在0摄氏度在ISO压力下的体积)，沃泊指数可以定义为体积LCV/根数(SG)。

燃气轮机可包括一个或多个燃烧器，一个或多个燃烧器绕燃气轮机的旋转轴布置，尤其彼此周向等距隔开。燃气轮机可包括压缩器部，其中，从环境吸取的空气被多个旋转叶片压缩，多个旋转叶片连接到燃气轮机的旋转轴。燃气轮机的燃烧器可布置在压缩器出口，在压缩器出口，压缩空气从燃气轮机的压缩器部释放出。燃烧器可包括一个或多个入口，以允许将压缩空气供给到燃烧器中。可使用管道或导管将燃料供给到燃烧器，燃料阀装配在管道或导管处，以控制流过管道进入燃烧器的燃料的流率(例如，质量流、体积流)。在燃烧器中，供给的燃料和压缩空气的混合物燃烧。

燃烧的燃料和压缩空气混合物的排出物可由燃烧器输出，并被供给到燃气轮机的涡轮部(布置在燃烧器的下游)。涡轮部可接收排出的燃烧的燃料和压缩空气混合物(可具有高速和高温)。排出的燃烧的气体和压缩空气混合物可驱动涡轮部的多个叶片(固定到燃气轮机的旋转轴)。因此，可产生机械能，尤其是旋转能。旋转的涡轮轴可例如驱动发电器，以从机械能产生电能。

入口空气压力、入口空气温度和/或出口空气压力可以是测量值或基于其它值或量导出的值。例如，入口空气压力可以不是在压缩器入口位置处直接测量的，而是在与压缩器入口位置隔开的位置处测量的，压缩器入口位置处的空气压力可从在与压缩器入口位置隔开的位置处执行的空气压力测量值中导出。因此，可考虑发动机的物理构造或设计以及操作状况。类似地，此外，入口空气温度和/或出口空气压力可以不是分别在压缩器入口或压缩器出口处直接测量的，而在与这些位置隔开的位置处测量的，入口空气温度和出口空气压力可分别由这些测量值导出，尤其使用物理(热力学)模型。

热值可由在特定燃料量燃烧期间释放的热量相关联。热值(还称为加热值或能量值)可以以每单位燃料内的能量为单位表示，尤其以每质量内的能量为单位测量，比如kJ/kg。特别地，热值可尤其涉及或等同于低加热值或者低热值(LCV)，其通过从高加热值中减去水蒸汽的汽化热而确定。因此，这说明了，蒸发水所需的能量没有实现为燃料和压缩空气在燃烧器内燃烧期间的热量。

已知为低加热值(LHV)(净热值(NCV)或低热值(LCV))的量可通过从高加热值中减去水蒸汽的汽化热来确定。这将形成的任何H2O看作蒸汽。因此，蒸发水所需的能量没有实现为热量。LHV计算值呈现，燃烧过程的水成分在燃烧结束时处于气态，与高加热值(HHV)(又称为总热值或总CV)不同，高加热值呈现，在燃烧过程之后，燃烧过程中的所有水处于液态。LHV呈现，燃料和反应产物中的水的汽化潜热没有恢复。其用于比较燃烧产物的凝聚不能实行或者低于150℃温度下的热量不能使用情况下的燃料。

高加热值(HHV)或高热量或热值(HCV)通过将燃烧的所有产物(供给的燃料和压缩空气)带回至原始预燃烧温度，并尤其液化产生的任何蒸汽来确定。特别地，高加热值与燃烧的热力学热量相同。

特别地，如果在操作燃气轮机期间，燃料改变为另一燃料，则热值可改变为另一热值，这可影响燃气轮机的机械输出，并因此可要求控制燃料阀，并且与先前施加的燃料的流率相比，可尤其要求改变另一燃料的流率，以维持稳定的燃气轮机机械输出。

特别地，误差信号可通过形成评估的热输入和期望热输入之间的差别来导出。期望热输入可通过发动机管理器或发动机控制系统来设定，期望热输入可尤其基于燃气轮机的期望机械输出和/或期望旋转速率和/或期望负荷等。该控制可尤其使用闭合控制环来执行。

提出的控制方法可不要求例如使用热量计来测量热值，已发现，热量计十分笨重，并且对于有效的发动机控制太过缓慢。常规热量计可提供与测量的热值有关的更新的信息，取决于热量计，这要求在3分和30分之间处理燃料样本。另外，依靠热量计，对于成功的发动机操作而言，引入与热量计的依赖性。通过使用提供的方法评估燃料的热输入(或者可直接或间接从热输入中导出的热值，例如，当质量流或体积流已知时)，该缺点得以克服。

控制方法还可应用发动机功率输出(尤其为机械功率输出)和期望燃料阀角之间的关系，以比较期望角与操作中的当前值，并调节燃料供给压力及由此的密度，以保证正常燃料阀角。另外，基于特定燃料阀角操作包络极限可提供可接受的控制。

如果燃料的种类或类型或成分改变，则可基于从评估的热输入和期望热输入之间的误差信号导出的热值或沃泊指数控制燃料阀，以达到操作条件或运行条件，尤其与燃气轮机的机械功率输出(对应于期望运行条件)有关。

因此，在不存在与燃料的成分或种类或类型有关的控制的情况下，燃气轮机可如期望般操作。

可提供在线热量计或气相色谱仪以测量燃料LCV和SG，给发动机控制软件供给数据。这些装置可在几分钟的更新周期上操作，这与燃料成分的可允许改变率不一致，从而损害更新之间的操作。此外，这种装置的可靠性不足以保证操作期间的约定关键性能指示(KPI)。

由燃料控制模块使用的计算形式可要求LCV和SG的值作为输入。然而，该计算与LCV和1/根(SG)成比例，其等同于沃泊指数(WI)，使得在限定WI的情况下不必具有精确的SG数据。发动机和控制系统可根据本发明的实施例使用，以评估燃料WI，并可提供更快的更新，在评估之前在稳态温度下经受发动机操作。因此，负载瞬变过程之后的燃料改变可借助该评估来调整。然而，该方法的功能精度可低于热量计的精度，所以其可与热量计一起使用，而不是代替热量计。

未供给到燃烧器的空气量可以是在燃烧之前提取的空气，以维持燃烧器出口温度处于特定温度范围或特定温度和/或以控制燃气轮机的排放物(例如，反应产物的类型和/或浓度)。特别地，在十分高的负载下，在燃烧的上游没有提取任何空气，由压缩器输出的所有空气(除了冷却涡轮部件需要的空气)可供给到燃烧器。另外，在特别的运行条件或环境中，压缩空气还可以变化的量用于冷却燃气轮机的特定部件。通过给燃烧器供给变化的空气量，可影响对燃料的热输入的评估。特别地，考虑特定空气量未被供给到燃烧器可改进评估燃料的热输入的精度，使得评估的燃料热输入更紧密地类似于或等于燃料的实际热输入。

因此，燃气轮机可以更好的方式控制，以获得期望的运行条件。

根据本发明的实施例，空气排出信号包括排出阀设定。

根据本发明的实施例，评估热输入包括形成出口空气压力(PT8)和入口空气压力(PT7)之间的压力比(PRC87)以及基于该压力比评估热输入。

压力比可以是合适的量，以评估热输入。因此，该方法可以简化。

根据本发明的实施例，基于压力比评估热输入包括使用基于多个测量值(在至少一个燃气轮机上执行)的至少一个曲线拟合，该曲线拟合使测量的压力比与测量的热输入相关联，其中，曲线拟合尤其由具有正一次系数(乘以压力比的多项式系数)和正二次系数(乘以压力比的平方的多项式系数)的二阶多项式描述，曲线拟合的表示尤其存储在电子存储器中。

特别地，可从在至少一个燃气轮机上执行的测量值中获得多个测量点，例如，测量点可在具有横坐标(代表压力比)和纵坐标(代表单位为瓦(W)的热输入或热输入燃料流)的图表中描绘。至少一个曲线拟合可通过测量点到多项式，尤其到二阶多项式的最小二乘拟合来获得，二阶多项式以常数项、乘以压力比的一次系数和乘以压力比的平方的二次系数之和来描述热输入燃料流。

使用实验测量值可允许从燃料流中导出压力比和热输入之间非常精确的关系。因此，该方法在评估的热输入的精度方面得以改进。

根据本发明的实施例，至少一个曲线拟合包括：在燃烧器上游没有排出空气的情况下基于测量数据获得的第一曲线拟合、在燃烧器上游排出空气的一部分(尤其为5％和15％)的情况下基于测量数据获得的第二曲线拟合，其中，基于第一曲线拟合导出第一热输入，基于第二曲线拟合导出第二热输入，基于第一热输入和第二热输入导出评估的热输入。

考虑在燃烧器上游没有排出空气和在燃烧器上游排出空气的一部分这两种情况会导致改进评估热输入的精度。特别地，第一热输入和第二热输入分别对应于在燃烧器上游没有排出空气的状况和在燃烧器上游排出空气的一部分的状况。

根据本发明的实施例，该方法还包括：如果压力比超过尤其介于4和8之间的阈值，则使用包括第一热输入和第二热输入的第一函数导出校正的热输入，如果压力比没有超过该阈值，则使用包括至少第一热输入的第二函数导出校正的热输入，其中，评估热输入还基于校正的热输入。

当压力比满足超过阀值的标准时，第一函数可以是用于仅在该情况下根据第一热输入和第二热输入导出校正的热输入的数学函数。另外，如果压力比没有满足该标准而没有超过该阈值，则根据仅或至少第一热输入，校正的热输入可导出为第二数学函数。

因此，可更精确地考虑在燃烧器之前排出空气的影响。特别地，如果压力比高于该阈值，则排出空气的影响比压力比没有超过该阈值时更高。

根据本发明的实施例，该方法还包括基于排出阀设定(尤其使用排出阀特性)评估在燃烧器上游排出的空气部分，其中，第一函数包括评估的排出空气部分。

排出阀可包括布置在燃烧器上游不同位置或者燃气轮机的压缩器部分内的一个或多个阀。排出阀特性可表示为表、图、查找表等，并可存储在电子存储器中。排出阀特性可表明空气流在第一阀角范围中为零，其可表明空气的百分比流在邻近第一阀角范围的第二阀角范围中线性增加。通过使用排出阀设定，可以在精度方面改进确定在燃烧器上游排出的空气量。

根据本发明的实施例，该方法包括从校正的热输入、入口空气压力(PT7)和入口空气温度(Tinlet)中计算评估的热输入。

可使用数学公式导出评估的热输入，其中，特别地，校正的热输入乘以入口空气压力并乘以包括入口空气温度的项的平方根。

因此，评估的热输入可以精确的方式从可用的输入量中计算出。

根据本发明的实施例，使用PI控制器控制燃料阀，误差信号作为输入供给到PI控制器，该方法尤其还包括：基于误差信号导出燃料的体积比热输入(还称为沃泊指数，其可基于体积LCV)；以及将导出的体积比热输入传输到燃料阀，其中，基于导出的质量比热输入，调节燃料阀以控制燃料供给。

沃泊指数(WI)或沃泊数指的是燃料气体(比如天然气、液化石油气(LPG)和民用燃气)的可交换性的指标，并通常限定在气体供给和运输工具的规格中。如果两种燃料具有相同的沃泊指数，那么，对于给定压力和阀设定，能量输出可以相同。

PI控制器可被认为是闭环控制器的特定的实施方式。特别地，体积比热输入可计算为由比重的均方根除的热值，尤其为低热值。比重可以是燃料的质量密度，指的是水的质量密度。因此，该方法可以简化。

根据本发明的实施例，该方法还包括针对燃料的流率设定阀，使得误差信号为零，该方法随后包括：将另一燃料供给到燃烧器，另一燃料与所述燃料不同；获得压缩器入口处的另一入口空气压力(PT7)；获得燃烧器入口处的另一入口空气温度(Tinlet)；获得压缩器出口处的另一出口空气压力(PT8)；基于另一入口空气压力、另一入口空气温度和另一出口空气压力评估供给到燃烧器的另一燃料的另一热输入(HIengmodel)；比较另一评估的热输入与期望热输入，以导出另一误差信号；以及基于另一误差信号控制阀，使得阀被设定为另一燃料的另一流率(与先前供给的燃料的流率不同)。

因此，该方法可处理这样的情形，其中，燃料改变为另一燃料，其中，燃料的成分、种类和类型与另一燃料的成分、种类或类型可以不同。特别地，燃料和另一燃料的热值可以彼此不同。因从燃料到另一燃料的改变而引起的热值的改变可以被检测到，并可用于改变对燃料阀的调节，以维持期望热输入或维持期望机械功率输出。因此，与常规控制方法相比，该控制方法可支持额外操作条件。

根据本发明的实施例，如果另一热值低于所述热值，则所述另一流率高于所述流率。

特别地，期望热输入可得以维持，即使在燃料改变为另一燃料时也如此。因此，可以调整燃气轮机的平滑操作，可以改进操作的稳定性。

应理解，在控制对燃烧器的燃料供给的方法情形中单独或以任何组合公开、应用、描述或提及的特征还可单独或以任何组合应用于根据本发明实施例控制对燃气轮机(包括位于燃烧器上游的压缩器)的燃烧器的燃料供给的装置，反之亦然。

根据本发明的实施例，提供了一种用于控制对燃气轮机(包括位于燃烧器上游的压缩器)的燃烧器的燃料供给的装置，该装置包括：适于给燃烧器供给燃料的燃料阀；处理器(例如，位于计算设备内)，适于获得压缩器入口处的入口空气压力(PT7)、获得压缩器入口处的入口空气温度(Tinlet)、获得压缩器出口处的出口空气压力(PT8)、获得表示未供给到燃烧器的空气量的空气排出信号(THBOV)，以基于入口空气压力、入口空气温度、出口空气压力和空气排出信号(THBOV)评估供给到燃烧器的燃料的热输入(HIengmodel)，以比较评估的热输入与期望热输入(FFDEM)从而导出误差信号，并基于误差信号控制调节给燃烧器的燃料供给的燃料阀。

特别地，低热值和比重可组合为沃泊指数(WI)的形式。因此，仅可在“稳定”发动机操作期间执行对阀的调节，其中，获得的参数PT7、PT8、Tinlet几分钟内没有明显变化，尤其在1分钟和20分钟范围内的时间间隔内没有明显变化。

根据本发明的实施例，提供了一种燃气轮机，其包括控制给燃气轮机的燃烧器的燃料供给的装置。

根据本发明的另一实施例，使用了发动机热效率的简单模型，其作为涡轮入口温度(TIT)的特征函数，即，燃烧的燃料和压缩空气混合物(引入燃气轮机涡轮部以驱动旋转轴)的温度，以评估供给到燃烧器的燃料的热输入。因此，可通过现有控制算法或计算算法提供涡轮入口温度，或者可由所述测量值提供涡轮入口温度。然后，燃料的评估的热输入与期望热输入进行比较，期望热输入是从燃气轮机控制燃料模块中期望的或者由发动机管理器期望的。然后，差别用作积分控制模块中的误差项，以基于评估的热值和另外基于比重调节燃料供给阀，燃料供给阀控制燃料的供给。特别地，低热值和比重可以组合为沃泊指数(WI)的形式。积分控制模块可调节燃料阀，以消除误差项。因此，与上述描述的实施例之一类似，仅可在“稳定”发动机操作期间执行对阀的调节，其中，燃气轮机的涡轮入口温度几分钟内没有明显变化，尤其在1分钟和20分钟范围内的时间间隔内没有明显变化。

根据本发明的实施例，该控制方法可改进燃气轮机的操作稳定性，即使燃料改变或者燃料成分改变时也如此，所以，可以独立于任何热量计(装配在测量地点)的更新时间，保证燃料成分改变之后的瞬间操作。如果燃料的燃料成分或属性，尤其低热值或通常任何与热量相关值在任何时刻是已知的，则在试运转期间，该信息可用于借助从沃泊指数(由评估导出)和已知实际燃料值之间的差别中计算出的效率修正因子调谐(例如校准)控制方法。

现在参考附图描述本发明的实施例。从下文中描述的实施例示例中，本发明的上面限定的各方面和其它方面是明显的，并参考实施例示例进行说明。下文中参考不限制本发明的实施例示例更详细地描述本发明。

附图说明

图1示意性地示出根据本发明实施例的用于控制对燃气轮机燃烧器的燃料供给的装置，其适于执行根据本发明实施例的控制对燃气轮机燃烧器的燃料供给的方法；

图2示意性示出用在图1所示装置中的发动机模型，该发动机模型用在根据本发明实施例的控制对燃烧器的燃料供给的方法中；

图3示意性示出取决于可用在根据本发明实施例的控制对燃烧器的燃料供给的方法和/或装置中的空气压力比，定义燃气轮机发动机的热输入流值的图表；

图4示出用于在燃烧器上游排出空气的排出阀特性的图表，其关系上用在根据本发明实施例的控制对燃烧器的燃料供给的装置和/或方法中；

图5示意性示出热量计沃泊指数计算方案，其可用在根据本发明实施例的控制对燃气轮机燃烧器的燃料供给的装置和/或方法中；以及

图6示意性示出热量计修正因子计算，其可用在根据本发明实施例的控制对燃气轮机燃烧器的燃料供给的方法和/或装置中。

具体实施方式

图1示意性示出根据本发明实施例的用于控制对燃气轮机燃烧器101的燃料供给的装置100，其适于执行根据本发明实施例的控制对燃气轮机燃烧器的燃料供给的方法。装置100包括适于给(燃气轮机的)燃烧器101供给燃料105的燃料阀103，其中，燃料105经由燃料管供给。另外，装置100包括处理器107，处理器适于获得与燃烧器入口处的空气压力相关的入口空气压力PT7，获得与燃烧器入口处的空气温度相关的入口空气温度Tinlet，获得与燃烧器出口处的空气压力相关的出气压力PT8。因此，入口空气压力PT7、入口空气温度Tinlet和出气压力PT8的值还可称为在燃烧器中燃烧燃料的空气的至少一个物理属性的属性值109。

处理器107还适于获得空气排出信号THBOV，尤其是排出阀设定或尤其是排出阀角，其表示未供给至燃气轮机中的燃烧器101的空气量。在其它实施例中，没有使用任何排气，所有空气均供给到燃烧器。用于在燃烧器中燃烧燃料的空气的至少一个物理属性的属性值109包括物理量的上述值。属性值109被供给到发动机模型111，发动机模型适于基于空气的至少一个物理属性的属性值109评估供给到燃烧器101的燃料105的热输入HIengmodel。

评估的热输入HIengmodel被供给到运算元件113，运算元件设置成根据本发明的特定实施例对评估的热输入HIengmodel施加修正因子HIcaltrim，其中，确定用于确定测量的热值或沃泊指数的热量计测量值。

根据替代实施例，在修正因子HIcaltrim设定成一致以使被调节的评估的热输入HIexpected等于根据该实施例的评估的热输入HIengmodel的情况下，没有使用热量计测量值。

被调节的评估的热输入HIexpected被供给到加法运算元件115，加法运算元件从被调节的评估的热输入HIexpected中减去期望热输入FFDEM，期望热输入由发动机管理器117需要，发动机管理器还将对应的控制信号119供给到燃料阀103。特别地，控制信号119可表示由发动机管理器117产生的期望热输入FFDEM。

加法运算元件115输出误差信号121，误差信号从评估的热输入HIengmodel或者被调节的评估的热输入HIexpected和期望热输入FFDEM中导出。误差信号121被供给到积分元件123，积分元件可通常实现为PI控制器。积分元件123在时间内对误差信号121积分，并输出表示燃料的评估的沃泊指数的质量比热输入(尤其是沃泊指数)WIengcal，其中，该评估使用发动机模型101，发动机模型在下面更详细地描述。经由控制线125，导出的质量比热输入WIengcal被供给到燃料阀103，基于此，燃料阀103调节燃料105的流率，以最小化或消除误差信号121。

根据本发明的替代实施例，除了使用发动机模型101评估沃泊指数WIengcal，测量的热值LCVmea用于计算测量的沃泊指数WIcalorimeter，测量的沃泊指数经由控制线127提供，并有时被供给到燃料阀103，以修正评估的沃泊指数WIengcal。下面参考图5描述测量的沃泊指数WIcalorimeter的计算。

另外，测量的沃泊指数WIcalorimeter用于导出修正因子HIcaltrim，修正因子被供给到运算元件113，以调节评估的热输入HIengmodel而导出被调节的评估的热输入HIexpected，如下面参考图6所述。

图2示意性示出发动机模型211，根据该发动机模型211，图1所示发动机模型111可根据本发明的实施例实施。

表示空气在压缩器出口处的压力的出气压力PT8由乘法/除法运算元件229接收。另外，乘法/除法运算元件229接收作为除数的入口空气压力PT7，其表示压缩器入口处的压力。乘法/除法元件229输出压力比PRC87(PT8/PT7)，其被供给到热输入计算元件231，热输入计算元件还可称为HI计算元件。在HI计算元件231内，计算出第一热输入HInoBLEED，并还计算出第二热输入HI10％BLEED。因此，根据如下公开计算出第一热输入和第二热输入：

热输入计算：

对于零和10％排气，作为压力比、PRC87的函数计算ISO校正的热输入：

HInoBLEED＝a2*PRC87^2+a1*PRC87+a0

HI10％BLEED＝b2*PRC87^2+b1*PRC87+b0

在此的等式对于特定燃气轮机是具体的。其它发动机可使用由已知方法确定的不同系数和/或不同排出部分。

这些特定公式已基于在至少一个燃气轮机上执行的多个测量值导出，这将在下面参考图3更详细描述。第一热输入HInoBLEED和第二热输入HI10％BLEED被供给到排出效果计算块233，排出效果计算块还接收空气排出信号THBOV，空气排出信号表示未供给到燃烧器的空气量。在燃烧器直接上游，空气排出可从对燃烧器的供给中得到，并从相同压力室得到，出气压力从压力室导出或测量。

排出效果计算块233考虑如果一些压缩空气实际未被供给到燃烧器。因此，排气的百分比根据下列公开计算出：

基于简化的阀特性从THBOV中计算(发动机进气质量流)％排气、排气％：

如果THBOV<＝10，则排气％＝0

如果THBOV>10，则排气％＝(THBOV-10)/0.7

这些等式对于特定燃气轮机是具体的。其它发动机可使用不同系数或形式。

而且，在评估排气百分比之后，排出效果计算块233使用第一函数或第二函数(取决于压力比PRC87是否大于阈值)从第一热输入和第二热输入中计算校正的热输入HIiso。该阀值可根据应用和燃气轮机来选择，并可以是例如6。因此，该计算根据下列公式执行：

通过线性积分计算ISO校正的热输入

如果PRC87>6，HIiso＝HIISOnoBleed+排气％/10*(HIISO10％bleed-HIISOnoBleed)

如果PRC87>6，HIiso＝HIISOnoBleed

在此的等式对于特定燃气轮机是具体的。其它发动机可使用不同等式或不同系数。

排出效果计算块233由此输出校正的热输入HIiso，并将其供给到环境校正元件235，环境校正元件还接收入口空气温度Tinlet及已被供给到运算元件229的入口空气压力PT7。评估的热输入HIengmodel由此通过环境校正块235根据下列公式计算出：

使用发动机空气入口压力PT7[巴]和温度Tinlet[摄氏度]从ISO校正的热量中计算当前热输入

HIEngModel＝HIISO*PT7/1.01325*sqrt((Tinlet+273.15)/288.15)

使用图2所示发动机模型201导出的评估的热输入HIengmodel可像评估的热输入HIengmodel那样例如用在装置100内。

图3示出导出两个数学式来从压力比PRC87中计算第一热输入和第二热输入的图表，压力比可根据本发明实施例使用。

在横坐标301上表示出压力比PRC87，即PT8/PT7，在纵坐标303上，表示出代表燃料的热输入的单位为百万瓦(MW)的热输入燃料流。小菱形305表示压力比的测量点与在由该控制方法控制的类型的燃气轮机处执行的热输入燃料流之间的关系，其中，在燃烧器上游没有排出空气。施加最小二乘法拟合，由参考标号307表示的二次多项式拟合至测量数据305。压力比PRC87中的二次多项式用于计算取决于压力比PRC87的第一热输入。

小方块308表示在燃气轮机上执行的测量点，表示压力比PRC87与热输入燃料流之间的关系，空气的10％在燃烧器上游排出。使用最小二乘法过程使二次多项式311拟合至测量点309，并用于在图2所示HI计算元件231内导出第二热输入。

图4示出对于根据本发明实施例使用的特定阀具体说明的排出阀特性405的示例性图表，以评估在燃烧器上游排出的空气的百分比。在横坐标401上，表示出空气阀角，而在纵坐标403上，表示出百分比流。曲线405表示百分比流对空气阀角的依赖性。如从图4中可看出，对于0和10之间的空气阀角，百分比流为0，在10和17之间的空气阀角范围中，百分比流从0于10的百分比流线性增加。因此，使用空气阀角，可根据本发明的实施例评估排出空气的百分比，如在图2的排出效果计算元件233中所使用的。其它阀可具有不同特性。

图5示意性示出热量计沃泊指数计算过程500，其可用于导出在图1所示装置中使用的测量的沃泊指数WIcalorimeter作为经由线127的输入量。热量计沃泊指数计算方案500示出热量计，其接收供给到燃气轮机101的燃料105的样品501。可从燃烧器上游几米(例如1m和10m之间)远处的供给管或供给管系统中获得输送到燃气轮机101的相同种类燃料的样品。燃料105的样品501在热量计503内的受控条件下燃料(比如标准条件)，产生的热量在热量计503内测量。另外，热量计503可具有导出燃料的样品501的比重SG的能力。从产生的热量中，由于燃料的样品501的受控燃烧，热量计503导出热值，尤其是燃料的低热值。由此测量的低热值LCVmea以及比重SGmea被供给到WI计算元件505，WI计算元件根据下列公式从低热值LCVmea和比重SGmea中计算出测量的沃泊指数WIcalorimeter：

计算：

相同信息可由位于与热量计类似位置的气相色谱仪提供，但是气相色谱仪测量气体样品的成分，并使得能够所述样品的计算LCV和SG。

然后，测量的沃泊指数可被供给到根据本发明实施例控制对燃气轮机101供给燃料的装置100。

图6示出确定修正因子HIcaltrim的方案600，修正因子可由图1所示装置100使用，作为运算元件113的输入，以从评估的热输入HIengmodel计算被调节的评估的热输入HIexpected。

根据方案600，接收测量的沃泊指数(比如使用图5所示方案500导出的)WIcalorimeter，然后，通过加法元件601以由方案500中的器材限定的间隔分析每个样品。另外，加法元件601接收评估的沃泊指数WIengcal，评估的沃泊指数例如由图1所示装置100的积分元件123输出。量WIcaltrim设定为WIcalorimeter和WIengcal的最后值之差。加法元件601还接收量WIcaltrim的先前值，以导出量WIcaltrim的新值。量WIcaltrim被供给到热输入修正计算块603，热输入修正计算块根据下列公式导出热输入修正因子HIcaltrim：

HI修正计算：

下面详细描述控制方法的实施例：

从发动机热力特性，使用作为发动机压力比和排出流的函数的热输入的简单模型，可评估由燃料供给的热输入。比较该值与当前控制系统期望热输入可表明影响WI的燃料成分中的差别。然后，该差别可用于评估WI的新值。当与燃料热量计并行使用时，该评估还可被修正成维持精度，使得WI的变化可被快速识别，但是基于热量计，绝对值保持不变。

该方法可包括下列输入(并非均是强制性的)：

·期望的燃料热输入：FFDEM，其是发动机管理器的燃料模块需要的燃料热输入(通常为kW)，以供给到发动机。

·操作温度：例如来自控制系统的Tfire(相当于燃烧器出口温度的位于涡轮部分入口处的涡轮入口温度)。这可以是相当于燃烧器出口温度或涡轮入口温度(‘TIT’或‘TET’)的控制系统温度值。

·压缩器操作参数：

来自控制系统的入口压力(PT7，单位为巴)

来自控制系统的出口压力(PT8，单位为巴)

来自控制系统的入口温度(Tinlet，单位为摄氏度)

来自控制系统的出口温度(TCD，单位为摄氏度)。

·排出阀角(可以是例如从2个阀获得的平均值)：来自控制系统。用于在燃烧之前提取空气的排放物控制，以维持燃烧器出口温度(THBOV)。

·LCV和SG：来自气相色谱仪或热量计——几分钟的更新时间。

下列定义/术语可应用于：

·WIcalorimeter：从热量计或气相色谱仪测量值中导出的沃泊指数值。

·WIEngCal：通过‘发动机热量计’从发动机性能中评估的沃泊指数值。

·HIEngModel：使发动机在操作条件下运行所需的燃料供给热输入的期望值，从发动机特性模型中直接评估出。

·HIExpected：使发动机在该操作条件下运行所需的燃料供给热输入的期望值，从发动机特性模型中评估出，但是被调节用于发动机退化或者使用来自热量计或气相色谱仪的燃料属性测量值调准。

·HICalTrim：修正因子，从热量计测量值或退化模型中导出，以施加到HIEngModel的值。

热量计或气相色谱仪可在每个更新时间输出LCV和SG。这些可以组合为WI值(见图5)。执行故障检测在于，来自热量计的输出值应当被监控，以保证它们的值位于基于现场燃料规格的期望范围内。

发动机热量计计算可如下执行：

在发动机启动之前，来自热量计的当前值可被提供到燃料阀模块，并用于初始化‘发动机热量计’内的积分器123。在该阶段，发动机模型不用于评估WI。在启动发动机并达到最小负荷时，发动机模型操作，具有HICalTrim＝1的初始值，并可提供对热输入的评估。这些可与管理器FFDEM进行比较，以产生误差121，然后，通过改变评估的WI(WIEngCal)积分误差121。该值可被提供给燃料模块103，而不是直接热量计值，从而使来自管理器117的FFDEM值变化，以维持恒定的发动机操作，从而消除误差项。

在启动发动机时，如果燃料供给已改变，但是到发动机的供给管充满先前成分，则在启动中途可以突然改变成分，潜在地超过极限，并导致启动故障。如果给热量计提供更新值，则该情形可在重新启动时被自动纠正。其还可通过在启动之前给供给线开孔来避免。如果热量计在启动开始时不可用，则可使用WIEngCal的最后值。

发动机热量计计算仅可在满足下面的‘稳态’标准时实施：

发动机稳态标准：

在当前时间之前，记录温度控制参数例如Tfire(涡轮入口温度)在滚动5分钟内的最大和最小值。

Tfiremax－Tfiremin<Tss稳定，其中，Tss是初始设定为20℃的参数。

参考图6，热量计修正计算可如下执行：

该程序可在从热量计接收到更新时运行，假设：

1/WIEngCal已稳定至少一个热量计更新间隔(+/-2％(系统中的可调节参数))，且WICalorimeter＝先前值+/-2％。

2/已完成对先前更新的应用。

3/热量计LCV和SG监控符合现场定义极限内的值。

HICalTrim的变化的80％(可调节参数)可以在30秒(可调节参数)内缓慢地施加。这可导致该方法不会使用两个连续热量计值，除非该变化位于稳定带内。

可应用下列设想：

1/新的和清洁的发动机特性的形状对于所有发动机状况是有效的。

2/发动机在大致稳态下(热)操作。

应注意，术语“包括”不排除其它元件或步骤，“一个”及其变体不排除多个。另外，与不同实施例相关描述的元件可以组合起来。还应注意，权利要求中的参考标号不应被理解为限制权利要求的范围。

Claims

1.控制给燃气轮机的燃烧器供给燃料的方法，所述燃气轮机包括位于所述燃烧器上游的压缩器，所述方法包括：

给所述燃烧器(101)供给燃料(105)；

获得压缩器入口处的入口空气压力(PT7)；

获得压缩器入口处的入口空气温度(Tinlet)；

获得压缩器出口处的出口空气压力(PT8)；

获得表示未被供给到所述燃烧器的空气量的空气排出信号(THBOV)；

基于所述入口空气压力(PT7)、所述入口空气温度(Tinlet)、所述出口空气压力(PT8)和所述空气排出信号(THBOV)评估供给到所述燃烧器(101)的燃料(105)的热输入(HIengmodel,HIexpected)；

比较评估的热输入(HIengmodel,HIexpected)与期望热输入(FFDEM)，以导出误差信号(121)；以及

基于所述误差信号(121)控制燃料阀(103)，所述燃料阀调节给所述燃烧器(101)的燃料(105)供给。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述空气排出信号(THBOV)包括排出阀设定。

3.如权利要求1所述的方法，其中，评估所述热输入包括：

形成所述出口空气压力(PT8)和所述入口空气压力(PT7)之间的压力比(PRC87)；以及

基于所述压力比评估所述热输入(HIengmodel,HIexpected)。

4.如权利要求3所述的方法，其中，基于所述压力比(PRC87)评估所述热输入(HIengmodel,HIexpected)包括使用在至少一个燃气轮机上执行的多个测量(305,309)的至少一个曲线拟合(307,311)，所述曲线拟合使测量的压力比与测量的热输入相关联，

其中，所述曲线拟合由具有正一次系数和正二次系数的二次多项式描述，所述曲线拟合的表示存储在电子存储器中。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述至少一个曲线拟合包括：

在所述燃烧器上游没有排出空气的情况下基于测量数据获得的第一曲线拟合(307)；

在所述燃烧器上游排出空气的一部分的情况下基于测量数据获得的第二曲线拟合(311)，

其中，基于所述第一曲线拟合(307)导出第一热输入(HIisonobleed)，

其中，基于所述第二曲线拟合(311)导出第二热输入(HIiso10％bleed)，

其中，基于所述第一热输入和所述第二热输入导出评估的热输入(HIengmodel,HIexpected)。

6.如权利要求5所述的方法，其中，在所述燃烧器上游排出空气的5％和20％之间的情况下基于测量数据获得的第二曲线拟合(311)。

7.如权利要求5所述的方法，还包括：

如果所述压力比(PRC87)超过一阈值，则使用包括所述第一热输入(HIisonobleed)和所述第二热输入(HIiso10％bleed)的第一函数导出校正的热输入(HIiso)；

如果所述压力比(PRC87)没有超过所述阈值，则使用包括至少所述第一热输入(HIisonobleed)的第二函数导出校正的热输入(HIiso),

其中，评估所述热输入(HIengmodel,HIexpected)还基于所述校正的热输入(HIiso)。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述阈值介于4和8之间。

9.如权利要求7所述的方法，还包括基于排出阀设定评估在所述燃烧器上游排出的空气的一部分，

其中，所述第一函数包括排出空气的评估部分。

10.如权利要求9所述的方法，其中，使用排出阀特性(405)评估在所述燃烧器上游排出的空气的一部分。

11.如权利要求7至10中任一项所述的方法，还包括：

从所述校正的热输入(HIiso)、所述入口空气压力(PT7)和所述入口空气温度(Tinlet)中计算所述评估的热输入(HIengmodel,HIexpected)。

12.如权利要求1或2所述的方法，其中，使用PI控制器(123)控制所述燃料阀(103)，所述误差信号(121)作为输入供给到所述PI控制器，

所述方法还包括：

基于所述误差信号(121)导出用于所述燃料(105)的体积比热输入(WIengcal)；以及

将导出的体积比热输入(WIengcal)传输到所述燃料阀(103)，其中，基于所述导出的体积比热输入，调节所述燃料阀以控制所述燃料(105)的供给。

13.如权利要求1至10中任一项所述的方法，还包括：

关于所述燃料的流率设定所述燃料阀(103)，使得所述误差信号为零；

然后，所述方法包括：

给所述燃烧器供给另一燃料，所述另一燃料与所述燃料不同；

获得压缩器入口处的另一入口空气压力(PT7)；

获得所述压缩器入口处的另一入口空气温度(Tinlet)；

获得所述压缩器出口处的另一出口空气压力(PT8)；

基于所述另一入口空气压力、所述另一入口空气温度和所述另一出口空气压力评估供给到所述燃烧器的另一燃料的另一热输入(HIengmodel)；

比较另一评估的热输入与期望热输入(FFDEM)，以导出另一误差信号(121)；以及

基于所述另一误差信号(121)控制所述阀(103)，使得所述阀(103)被设定为所述另一燃料的另一流率，所述另一燃料的另一流率与先前施加的燃料的流率不同。

14.如权利要求13所述的方法，其中，如果另一评估的体积比热输入低于评估的体积比热输入，则所述另一流率高于所述流率。

15.如权利要求13所述的方法，其中，所述燃料具有与所述另一燃料的成分不同的成分。

16.控制给燃气轮机的燃烧器(101)供给燃料(105)的装置(100)，所述燃气轮机包括位于所述燃烧器上游的压缩器，所述装置包括：

燃料阀(103)，适于给所述燃烧器(101)供给所述燃料(105)；

处理器(107)，适于

获得压缩器入口处的入口空气压力(PT7)；

获得所述压缩器入口处的入口空气温度(Tinlet)；

获得所述压缩器出口处的出口空气压力(PT8)；

获得表示未供给到所述燃烧器的空气量的空气排出信号(THBOV)；

基于所述入口空气压力、所述入口空气温度、所述出口空气压力和所述空气排出信号(THBOV)评估供给到所述燃烧器(101)的燃料(105)的热输入(HIengmodel)；

比较评估的热输入(HIengmodel)与期望热输入(FFDEM)，以导出误差信号(121)；以及

基于所述误差信号(121)控制所述燃料阀(103)，所述燃料阀调整给所述燃烧器(101)的燃料(105)供给。