控制和保護燃氣渦輪的方法及使用此類方法的燃氣渦輪的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及燃氣滿輪技術(shù)。其設(shè)及用于控制和保護燃氣滿輪的方法，其中燃氣滿 輪性能和壽命指示過程量從一組可用的過程信號估計。
[0002] 本發(fā)明還設(shè)及使用所述方法的燃氣滿輪。
【背景技術(shù)】
[0003] 圖4示出了燃氣滿輪19的基本示圖，其包括壓縮機20、燃燒器21和滿輪22。壓 縮機20經(jīng)由空氣入口 23吸入具有壓縮機入口溫度TK1的環(huán)境空氣。壓縮機的質(zhì)量流速可 通過移動可變導葉VGV來調(diào)整?？諝獗粔嚎s并且W壓縮機出口壓力ρΚ2離開壓縮機20。壓 縮空氣用于燃燒器21中來焚燒燃料，其經(jīng)由燃料供應源24供應。生成的熱氣體驅(qū)動滿輪 22,并且在排出氣體出口 25處W滿輪排氣溫度ΤΑΤ離開滿輪22。
[0004] 對于燃氣滿輪19的控制和保護，典型地，指示燃氣滿輪性能和壽命的溫度用于控 制器18中。此類溫度例如可為指示滿輪入口溫度。由于在現(xiàn)場發(fā)動機上，此類指示滿輪入 口溫度不可測量，故通常估計該量。 陽0化]估計指示滿輪入口溫度的現(xiàn)有技術(shù)水平的解決方案特征如下： 指示滿輪入口溫度計算為一組可用過程測量的代數(shù)函數(shù)，如，ΤΑΤ(滿輪排氣溫度）、地2(壓縮機出口壓力）、ΤΚ1(壓縮機入口溫度）等。
[0006] 該代數(shù)函數(shù)通常對燃氣滿輪的驗證的空氣熱模型校準，并且/或者在試運行期間 在真實發(fā)動機上調(diào)節(jié)。
[0007] 現(xiàn)有技術(shù)水平的解決方案的主要不足在于一方面的預計準確性與另一方面的可 用性之間的固有權(quán)衡： 從操作方面，指示滿輪入口溫度估計需要具有高準確性，W便使燃氣滿輪的性能和壽 命最大化（較小安全裕度）。
[0008] 然而，從可用性觀點看，有利的是具有帶最少數(shù)量的獨立變量（輸入）的簡單的指 示滿輪入口溫度估計函數(shù)。
[0009] 現(xiàn)有技術(shù)水平的解決方案的又一個不足在于指示滿輪入口溫度估計的發(fā)動機瞬 變期間的響應行為受設(shè)及的測量傳感器的動態(tài)性能支配。具體而言，指示滿輪入口溫度估 計示出了如果至指示滿輪入口溫度估計函數(shù)的輸入信號并未動態(tài)地準確對準，則快速發(fā)動 機瞬變期間有相當大大小的人工偏移。
[0010] 在現(xiàn)有技術(shù)中，各種文獻處理計算和將指示滿輪入口溫度用作用于燃氣滿輪操作 的控制變量的問題。
[0011] 文獻US6, 167,690Β1公開了一種用于控制過程的至少一個變量OlTm)的控 制系統(tǒng)，至少一個變量（TITm)由許多測得的過程變量（TATm，pCm)計算，測得的過程變量 (TATm，pCm)在各種情況下經(jīng)由相關(guān)聯(lián)的測量區(qū)段測量，其傳遞函數(shù)具有不同的時間響應。 實現(xiàn)了特別是在瞬變動作期間的改進，其中為了避免不穩(wěn)定，提供了平衡獨立測量區(qū)段的 不同時間響應的校正手段。
[0012] 文獻WO2010/043563A2公開了一種燃氣滿輪模型和用于對燃氣滿輪建模的方 法，其容許高精度的瞬變模擬，W及同時用于對燃氣滿輪建模的數(shù)字上有效的手段。該解決 方案基于燃氣滿輪模型，其由多個子模型構(gòu)成。運些子模型為純動態(tài)或靜態(tài)的，運允許了總 體模型的數(shù)值解的顯著簡化。模擬促動器和測量系統(tǒng)的體積、金屬質(zhì)量的效果的系統(tǒng)部分 被認作是動態(tài)的。其余的系統(tǒng)部分被認作是在時間特征內(nèi)為靜態(tài)的。
[0013] 文獻EP2 447 511A1描述了一種設(shè)及通過壓力傳感器形成燃氣滿輪過壓測量的 不同區(qū)域處的熱氣體溫度的偏差的方法。壓力測量在滿輪的燃燒室中產(chǎn)生的熱氣流中執(zhí) 行，并且直接在滿輪的葉片系列之前執(zhí)行。壓降在位于存在于室中的火焰下游的測量位置 之間確定。滿輪凸緣在室與滿輪之間的過渡部處布置在滿輪中。
[0014] 文獻W0 2011/098193A1描述了一種確定離開燃氣滿輪的燃燒器的氣體的出口溫 度的方法，該方法包括：確定輸送至燃燒器的燃料的質(zhì)量流和溫度；確定輸送至燃燒器的 空氣的質(zhì)量流和溫度；確定輸送至燃燒器的燃料和空氣的焚燒混合物的比熱容的溫度依賴 性；W及基于確定的燃料的質(zhì)量流和溫度、確定的空氣的質(zhì)量流和溫度W及焚燒混合物的 比熱容的確定的溫度依賴性來確定離開燃燒器的焚燒混合物的出口溫度。此外，描述了一 種控制燃氣滿輪的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本發(fā)明的目的在于提供一種用于控制和保護燃氣滿輪的方法，其提高了燃氣滿輪 性能和壽命指示過程量的可用性和/或準確性。
[0016] 另一個目的在于提供使用此類方法的燃氣滿輪。
[0017] 運些及其它目的通過根據(jù)權(quán)利要求1的方法和根據(jù)權(quán)利要求15的燃氣滿輪來獲 得。
[0018] 在根據(jù)本發(fā)明的用于控制和保護燃氣滿輪的方法中，燃氣滿輪性能和壽命指示過 程量（IP曲從一組可用的過程信號估計。該方法特征在于，為了避免估計準確性與可用性 之間的權(quán)衡，所述燃氣滿輪性能和壽命指示過程量通過至少兩種不同的估計方法來同時估 計，由此第一估計方法具有高預測準確性，第二估計方法具有高可用性，進行所述第二估計 方法的連續(xù)改變，W便使兩種估計方法的輸出信號對準，并且在所述第一估計方法失效的 情況下，所述第二估計方法的所述改變停止，并且所述第一估計方法的輸出切換至所述第 二估計方法的輸出。
[0019] 指示過程量IPQ例如可為入口氣體、熱氣體、燃料或它們的組合的溫度、空間溫度 梯度、一定時間內(nèi)的溫度梯度、壓力、壓力梯度、成分。其它參數(shù)能夠由本領(lǐng)域技術(shù)人員構(gòu)想 出。例如，濕度和熱氣體溫度的組合可指示操作期間的使用壽命消耗，因為熱氣體的熱容和 從熱氣體到暴露于熱氣體的滿輪的構(gòu)件的熱傳遞取決于濕度。
[0020] 例如，估計方法可為使用燃氣滿輪過程的測量的量的顯函數(shù)或隱函數(shù)。估計方法 還可為動態(tài)系統(tǒng)。例如，所謂的觀察物可用作參數(shù)和過程估計器，其基于燃氣滿輪的動態(tài)模 型。觀察物使用命令的過程輸入（例如，燃料質(zhì)量流速、壓縮機可變導葉位置等）、測量的外 部輸入（例如，相對濕度、環(huán)境壓力、機械速度等）的矢量信號，并且將預測的過程輸出與實 際的測量輸出（例如，TK2、pK2、TAT、PWR等）相比較，W便更新預測并確定指示過程量IPQ 的準確估計。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例的特征在于所述燃氣滿輪性能和壽命指示過程量為 燃燒器出口處的熱氣體溫度。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的方法的另一個實施例的特征在于所述燃氣滿輪性能和壽命指示過 程量為第一滿輪定子（輪葉）排的入口處的溫度。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的方法的又一個實施例的特征在于所述燃氣滿輪性能和壽命指示過 程量為第一滿輪葉片排的入口處的溫度。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例的特征在于所述第一估計方法將基于燃氣滿輪的動 態(tài)模型確定的預測過程輸出與測得的過程輸出相比較，W便確定所述燃氣滿輪性能和壽命 指示過程量的所述準確估計。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的方法的再一個實施例的特征在于所述第二估計方法為估計所述燃 氣滿輪性能和壽命指示過程量的初步方法，例如，關(guān)于W下類型：
具有參數(shù)曰，b，C，其中TAT為滿輪排氣溫度，并且ρΚ2為壓縮機出口壓力。
[00%] 根據(jù)本發(fā)明的方法的又一個實施例的特征在于所述連續(xù)改變結(jié)構(gòu)使用ΡΙ控制器 來調(diào)整所述第二估計方法的輸出處的附加偏移，W便使兩種估計方法的輸出信號對準。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的方法的又一個實施例的特征在于所述第一估計方法的第一輸出至 所述第二估