Способ и устройство для управления турбиной на основе зависимости температуры выхлопного газа от коэффициента давления турбины

Способ и устройство для управления турбиной на основе зависимости температуры выхлопного газа от коэффициента давления турбины

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Варианты осуществления настоящего изобретения в общем относятся к способам и системам и, в частности, к устройствам и способам управления турбиной.

Уровень техники

Турбомашины, используемые, например, на электростанциях или в реактивных двигателях, постоянно развиваются на основе новых открытий и улучшенных материалов. Кроме того, производители таких машин находятся под давлением возрастающих требований, касающихся производства более экологически чистых машины, то есть требований снижения объема загрязнения окружающей среды в процессе эксплуатации машин.

Соответственно ведутся исследования по уменьшению выбросов выхлопного газа из турбомашин с учетом желания использовать широкий ассортимент газового топлива. Выполнение этих требований становится все более трудной задачей, особенно принимая во внимание широкий диапазон эксплуатации таких устройств. В этих условиях точное управление температурой выхлопного газа турбомашины становится важным фактором для разработки успешных применений.

Один из подходов по снижению загрязнения, создаваемого турбомашиной, базируется на принципе зависимости температуры выхлопного газа от коэффициента давления в компрессоре. В заявке на патент США 2008/0243352, содержание которой в полном объеме включено в настоящую заявку путем ссылки, описано, что известные системы управления могут выполнять алгоритмы планирования, которые управляют скоростью потока топлива, входным направляющим аппаратом (inlet guide vanes, IGV) и другими входными сигналами управления для обеспечения безопасной и эффективной работы газовой турбины. Системы управления газовой турбиной могут получать на входе эксплуатационные параметры и установочные параметры, которые в сочетании с алгоритмами планирования определяют настроечные параметры управления турбиной для достижения заданного функционирования. Измеряемые эксплуатационные параметры могут включать давление и температуру на входе в компрессор, давление и температуру на выходе компрессора, температуру выхлопного газа турбины и выходную мощность генератора. Требуемые эксплуатационные установочные параметры могут включать выходную мощность генератора и энергию выхлопного газа. Графики (например, температуры выхлопного газа от коэффициента давления в компрессоре, распределения топлива от эталонной температуры горения, теплоты, отобранной на вход (inlet bleed heat, IBH) от IGV, предельной границы работы компрессора от скорректированной скорости вращения и входного направляющего аппарата и т.д.) задаются для предохранения турбины от выхода за пределы известных эксплуатационных границ (например, по выбросам, динамике, разрыву из-за давления, помпажу компрессора, обледенению компрессора, зазорам компрессора, по аэромеханическим параметрам и т.п.) на основе автономных полевых испытаний или лабораторных данных. Затем по выходным данным графиков определяют соответствующие корректировки входных данных системы управления. Типичные входные данные управления, обрабатываемые системой управления, могут включать скорость потока топлива, распределение топлива в камере сгорания (которое может в дальнейшем называться «распределением топлива»), положение входного направляющего аппарата и теплоту, отобранную на вход.

На фиг.1, которая аналогична фиг.1 заявки на патент США 2008/0243352, приведен пример газовой турбины 10, содержащей компрессор 12, камеру 14 сгорания, турбину 16, соединенную с компрессором 12, и компьютерную систему (контроллер) 18 управления. Впускной канал 20 к компрессору 12 может обеспечить подачу воздуха из окружающей среды в компрессор 12. Впускной канал 20 может содержать каналы, фильтры, экраны и устройства уменьшения шума, которые обеспечивают снижение давления окружающего воздуха, поступающего через впускной канал 20 во входной направляющий аппарат 21 компрессора 12. Выхлопной канал 22 для турбины направляет газообразные продукты горения с выхода турбины 10 с помощью, например, устройств управления выбросами и уменьшения шума. Величина потери входного давления и противодавления может изменяться во времени из-за добавления элементов, а также из-за засорения пылью и грязью впускного канала 20 и выхлопного канала 22. Турбина 10 может приводить в движение генератор 24, который вырабатывает электроэнергию.

Как описано в заявке на патент США 2008/0243352, работа газовой турбины 10 может контролироваться несколькими датчиками 26, выполненными с возможностью измерения различных характеристик турбины 10, генератора и окружающей среды, влияющих на эффективность эксплуатации. Например, группы дополнительных датчиков 26 температуры могут контролировать температуру окружающей среды вокруг газовой турбины 10, температуру на выходе компрессора, температуру выхлопного газа турбины и производить другие измерения температуры потока газа через газовую турбину 10. Аналогичным образом, группы дополнительных датчиков 26 давления могут контролировать давление окружающей среды, а также уровни статического и динамического давления на входе в компрессор и на выходе выхлопного газа из турбины, в других местоположениях в потоке газа через газовую турбину 10. Группы дополнительных датчиков 26 влажности, например психрометров, могут измерять влажность окружающей среды во впускном канале компрессора 12. Группы дополнительных датчиков 26 могут также включать датчики скорости потока, датчики скорости, датчики обнаружения возгорания, датчики положения клапана, датчики угла направляющих лопаток или подобные датчики, которые измеряют различные параметры, имеющие отношение к работе газовой турбины 10. В настоящем описании термин «параметры» относится к наименованиям, которые могут использоваться для задания условий эксплуатации турбины, таких как, не ограничиваясь этим, температура, давление и скорость потока газа в определенных местоположениях в турбине.

Описанная в заявке на патент США 2008/0243352А система 28 управления топливом управляет подачей топлива от топливоподачи в камеру 14 сгорания, одно или более распределений топлива, протекающего в первичные и вторичные топливные форсунки, а также количество топлива, смешанного с вторичным воздухом, поступающим в камеру сгорания.

Система 28 управления топливом может также выбирать вид топлива для камеры сгорания. Система 28 управления топливом может быть отдельным блоком или может быть компонентом главного контроллера 18. Контроллер 18 может быть компьютерной системой, содержащей по меньшей мере один процессор, который выполняет программы и операции для управления работой газовой турбины с использованием входных данных от датчиков и команд человека-оператора. Программы и операции, исполняемые контроллером 18, могут включать, помимо прочего, измерение или моделирование эксплуатационных параметров, моделирование эксплуатационных границ, применение эксплуатационных граничных моделей, применение алгоритмов планирования и применение логики граничного управления для замыкания контура на границах. Команды, сформированные контроллером 18, могут побуждать приводы на газовой турбине, например, управлять клапанами (привод 27) между топливоподачей и камерами сгорания, которые регулируют поток, распределение топлива и вид топлива, поступающего в камеры сгорания, управлять входным направляющим аппаратом (приводом 29) на компрессоре, регулировать тепло, отбираемое на вход, а также активировать другие управляющие установки на газовой турбине.

В заявках на патент США №2002/0106001 и №2004/0076218, содержание которых включено в настоящую заявку путем ссылки, описаны способ и система настройки алгоритмов управления турбиной для выполнения точного расчета температуры горения и эталонной температуры горения в газовой турбине, поскольку содержание водяных паров в рабочей текучей среде существенно отличается от значения, рассчитанного при проектировании. Указанные заявки раскрывают использование температуры выхлопного газа турбины и давления в турбине для регулирования температуры горения.

Однако известные способы и системы имеют ограниченные возможности управления газовой турбиной и, соответственно, было бы желательно создать системы и способы, которые обеспечивают более точное управление температурой горения и/или более точное управление параметрами горения, и/или более точное управление выбросом выхлопного газа.

Сущность изобретения

В соответствии с одним из примеров осуществления изобретения предлагается способ управления рабочей точкой газовой турбины, содержащей компрессор, камеру сгорания и по меньшей мере турбину. Способ включает определение давления выхлопного газа турбины на выходе турбины, измерение давления на выходе компрессора, определение коэффициента давления турбины на основе давления выхлопного газа турбины и давления на выходе компрессора, вычисление температуры выхлопного газа на выходе турбины как функции от коэффициента давления турбины, определение эталонной кривой температуры выхлопного газа в плоскости, заданной температурой выхлопного газа и коэффициентом давления турбины, при этом эталонная кривая температуры выхлопного газа содержит точки, являющиеся оптимальными для работы газовой турбины, и управление газовой турбиной для удержания рабочей точки на эталонной кривой температуры выхлопного газа.

В соответствии с другим примером осуществления изобретения предлагается газовая турбина, имеющая управляющее устройство для управления рабочей точкой газовой турбины. Газовая турбина содержит компрессор, выполненный с возможностью сжатия текучей среды, камеру сгорания, соединенную с выходом компрессора и выполненную с возможностью смешивания сжатой текучей среды с топливом, по меньшей мере турбину, соединенную с компрессором и выполненную с возможностью расширения отработанного газа из камеры сгорания для выработки электроэнергии на выходе газовой турбины, датчик давления, расположенный на выходе компрессора для измерения давления на выходе компрессора, и процессор, который взаимодействует с датчиком давления. Процессор выполнен с возможностью определения давления выхлопного газа турбины на выходе турбины, определения коэффициента давления турбины на основе давления выхлопного газа турбины и давления на выходе компрессора, вычисления температуры выхлопного газа на выходе турбины как функции от коэффициента давления турбины, определения эталонной кривой температуры выхлопного газа в плоскости, заданной температурой выхлопного газа и коэффициентом давления турбины, при этом эталонная кривая температуры выхлопного газа содержит точки, являющиеся оптимальными для работы газовой турбины, и управление газовой турбиной для удержания рабочей точки на эталонной кривой температуры выхлопного газа.

В соответствии с другим примером осуществления изобретения предлагается машиночитаемый носитель, содержащий исполняемые компьютером команды, которые при их исполнении реализуют способ управления рабочей точкой газовой турбины, содержащей компрессор, камеру сгорания и по меньшей мере турбину. Способ включает определение давления выхлопного газа на выходе турбины, измерение давления на выходе компрессора, определение коэффициента давления турбины на основе давления выхлопного газа турбины и давления на выходе компрессора, вычисление температуры выхлопного газа на выходе турбины как функции от коэффициента давления турбины, определение эталонной кривой температуры выхлопного газа в плоскости, заданной температурой выхлопного газа и коэффициентом давления турбины, при этом эталонная кривая температуры выхлопного газа содержит точки, являющиеся оптимальными для работы газовой турбины, и управление газовой турбиной для удержания рабочей точки на эталонной кривой температуры выхлопного газа.

Краткое описание чертежей

Прилагаемые чертежи, которые составляют часть настоящего описания, иллюстрируют один или более вариантов осуществления изобретения и вместе с описанием служат для объяснения данных вариантов.

На фиг.1 приведена структурная схема известной газовой турбины.

На фиг.2 приведена структурная схема газовой турбины, представленной в варианте осуществления настоящего изобретения.

На фиг.3 приведен график, иллюстрирующий изменение температуры выхлопного газа в зависимости от коэффициента давления турбины в соответствии с примером осуществления изобретения.

На фиг.4 приведено схематическое изображение зависимости между рабочими точками и оптимальными рабочими точками для газовой турбины в соответствии с примером осуществления изобретения.

На фиг.5 приведена схематическая диаграмма плоскости зависимости температуры выхлопного газа от коэффициента давления турбины в соответствии с примером осуществления изобретения.

На фиг.6 приведено схематическое изображение эталонной кривой температуры выхлопного газа в плоскости на фиг.5 в соответствии с примером осуществления изобретения.

На фиг.7 приведена блок-схема, иллюстрирующая шаги вычисления контрольной точки температуры выхлопного газа турбины в соответствии с примером осуществления изобретения.

На фиг.8 приведена блок-схема, иллюстрирующая шаги управления газовой турбиной в соответствии с примером осуществления изобретения.

На фиг.9 приведена структурная схема контроллера, используемого для управления газовой турбиной.

Подробное описание изобретения

В последующем описании примеров осуществления изобретения сделаны ссылки на приложенные чертежи. Одинаковые цифровые обозначения на разных чертежах обозначают одни и те же или аналогичные элементы. Последующее подробное описание не ограничивает изобретение. Объем изобретения определяется формулой изобретения. Последующие варианты осуществления изобретения для простоты обсуждаются с точки зрения терминологии и структуры газотурбинной системы с одним валом. Однако варианты осуществления изобретения не ограничиваются данными системами и могут быть применены к другим системам, например, газовым турбинам с множеством валов.

Ссылка в пределах описания на «один вариант» или «вариант» означает, что конкретная особенность, структура или характеристика, описанные в связи с вариантом осуществления изобретения, включены по меньшей мере в один вариант осуществления изобретения. Таким образом, использование фразы «в одном варианте» или «в варианте» в различных местах описания не обязательно относится к одному и тому же варианту осуществления изобретения. Более того, конкретные особенности, структуры или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом в одном или более вариантах осуществления изобретения.

Как было указано выше в связи с фиг.1, различные параметры турбины 10 могут быть измерены и/или вычислены для определения необходимой величины, подлежащей контролю. Такой величиной является температура горения в турбине. Работа турбины считается надежной и контролируемой, если температура горения в турбине поддерживается в оптимальном диапазоне. При выходе температуры горения в турбине за пределы оптимального диапазона контроллер 18 позволяет изменять, например, скорость воздушного потока компрессора и, следовательно, коэффициент давления в компрессоре для регулирования температуры горения. Событиями, которые могут вызвать выход температуры горения за пределы оптимального диапазона, являются, например, изменение нагрузки газовой турбины или изменение состава газового топлива.

Однако предлагаемые варианты осуществления изобретения базируются не на традиционном подходе для управления газовой турбиной, а на новом подходе, например, заключающемся в управлении температурой выхлопного газа турбины на основе коэффициента давления турбины. Этот новый подход обеспечивает более точную оценку состояния газовой турбины, которая также является более чувствительной к изменениям в работе газовой турбины, например, при изменении нагрузки.

В соответствии с примером осуществления изобретения температура выхлопного газа определяется как функция от коэффициента давления турбины, и данная температура контролируется и поддерживается в определенных границах для обеспечения эффективной работы газовой турбины, например, при согласовании с базовой нагрузкой, низкой нагрузкой, высокой нагрузкой и т.п. Подробнее об определении температуры выхлопного газа и коэффициента давления турбины говорится ниже со ссылкой на фиг.2. На фиг.2 показана газовая турбина 30, имеющая компрессор 32, выполненный с возможностью приема текучей среды (например, воздуха) через впускной канал 36. На впускном канале 36 могут быть расположены датчики 34 для измерения по меньшей мере одного из следующего: давление, температура, влажность и т.д.

Текучая среда сжимается компрессором 32, и сжатая текучая среда поступает в камеру сгорания 40 по каналу 42 для смешивания с топливом (например, природным газом), поступающим по питающему каналу 44. Дополнительные датчики 34 могут быть размещены в камере 40 сгорания или вокруг нее для измерения характеристик сжатой текучей среды и/или топлива. В камере 40 сгорания происходит горение, при котором повышается температура смеси сжатой текучей среды и топлива до температуры горения. Топливо подается по питающему каналу 44 в первичные и вторичные горелки, как описано ниже. Клапаны 45а и 45b используются для подачи топлива в первичные и вторичные горелки. Блок 70 управления также выполнен с возможностью управления клапанами 45а и 45b для обеспечения необходимого процентного содержания топлива в первичные и вторичные клапаны. Поток газообразных продуктов горения, имеющих высокую энергию, поступает по каналам 52 в турбину 50, которая может быть механически соединена с помощью вала 56 с генератором 54. Генератор 54 может вырабатывать электроэнергию. Турбина 50 также механически соединена через вал 58 с компрессором 30, обеспечивая необходимой движущей силой компрессор 30. Отработанные газы выводятся из турбины 50 через выходной канал 60. Как входной канал 52, так и выходной канал 60 могут контролироваться датчиками 34.

Данные от датчиков 34 поступают в блок 70 управления. Блок 70 управления может получать дополнительные данные через входной порт 72. На основе процессов, вычисленных блоком 70 управления, различные команды подаются через выходной порт 74 в различные части газовой турбины 30, например, команды для поворота лопаток, для изменения скорости вращения вала и т.д. Подробная структура устройства 70 управления описывается ниже.

В соответствии с примером осуществления изобретения предлагается способ управления газовой турбиной на основе зависимости температуры выхлопного газа турбины (ttx), которая измеряется/определяется на выходе 60, от коэффициента давления турбины (tpr), который измеряется/определяется как отношение давления на выходе компрессора 32 к давлению выхлопного газа турбины 50. В соответствии с фиг.2 давление на выходе компрессора 32 измеряется в точке 80, а давление выхлопного газа турбины 50 измеряется в точке 60. Однако в соответствии с примером осуществления изобретения давление выхлопного газа может измеряться/оцениваться внутри камеры 40 сгорания, на входе в турбину 50 или внутри турбины 50. Эти давления подробно рассматриваются ниже. Следует отметить, что подробности, которые обсуждаются ниже, для определения ttx, используются только для иллюстрации, а не для ограничения изобретения.

На фиг.3 изображена плоскость (ttx, tpr). Каждая точка на этой плоскости может рассматриваться как принадлежащая множеству А, показанному на фиг.4. Множество А задано таким образом, что оно содержит рабочие точки для газовой турбины 30 на основе модели горения. Множество А содержит подмножество В точек. Эти точки описаны ниже и определяются как оптимальные рабочие точки для газовой турбины 30.

Точки на плоскости (ttx, tpr), то есть точки из множества А, которые соответствуют условиям постоянной температуры горения, постоянной скорости вращения, постоянному углу IGV, постоянной удельной влажности воздуха и постоянному отбору воздуха, могут быть представлены кривой 90, которая может иметь вогнутую сверху форму. Коэффициент tpr давления турбины может меняться в зависимости от температуры на входе в компрессор. Ошибка, возникающая при аппроксимации кривой 90 параболой с прямой касательной линией 92 при tpr=tpr₀, мала, и ею можно пренебречь для значений tpr, близких к tpr₀. Специалисту очевидно, что могут использоваться и другие аппроксимирующие функции.

При постепенном изменении температуры на входе в компрессор, скорости компрессора и угла IGV кривая 90 изменяется постепенно, например, при сохранении непрерывности ее первой производной. Следовательно, геометрическое место точек постоянной температуры горения, которое может быть вычислено на основе ttx, может быть аппроксимировано с помощью линейной интерполяции касательной прямой 92.

На основе точек из упомянутого множества В функция f, которая будет обсуждаться ниже, применяется для определения точек, принадлежащих множеству С. Точки из множества С являются контрольными точками для работы газовой турбины в соответствии с управляющей логикой. Другими словами, точки, принадлежащие множеству С, вычисляются, как обсуждается ниже, и оператор газовой турбины 30 регулирует некоторые параметры для удержания газовой турбины в пределах множества С. Фиг.4 иллюстрирует данную концепцию.

В соответствии с примером осуществления изобретения функция f может быть определена как f=g·h·l, где g, h и l являются математическими функциями или операторами. Например, g может быть линейной интерполяцией подходящей топливной характеристики, h может быть билинейной интерполяцией углов IGV и скорости вращения газовой турбины, а l может быть политропической коррекцией, заданной выражением p·T^((1-Y)/Y)=constant. Если задана область В, то область значений С полностью определена через функцию f. Локальные возмущения в области В производят локальные возмущения в области С. В зависимости от применения для задания функции f могут использоваться больше или меньше функций или другие функции. Другими словами, вместо упомянутых функций g, h и l могут использоваться другие функции или другое количество функций.

Теперь обсудим определение множества температур ttx, которые желательно поддерживать для эффективной работы газовой турбины 30. Предположим, что газовая турбина может работать в следующих диапазонах: для температуры окружающей среды tamb в диапазоне tamb_i-1≤tamb≤tamb_i, для IGV-угла igv в диапазоне igv_j-1≤igv≤igv_j и для скорости вращения газовой турбины в диапазоне tnh_k-1≤tnh≤tnh_k. Также предположим, что газовая турбина управляется при оптимальной температуре горения. Исходя из вышеуказанных диапазонов рабочие точки для газовой турбины могут быть представлены в пространстве (ttx, tpr), как показано на фиг.5, кривыми, заданными следующими точками. Имеются четыре точки А1-А4 для бедного топлива и самой низкой температуры окружающей среды, имеются четыре точки В1-В4 для бедного топлива и самой высокой температуры окружающей среды, имеются четыре точки С1-С4 для богатого топлива и самой низкой температуры окружающей среды и имеются четыре точки D1-D4 для богатого топлива и самой высокой температуры окружающей среды. Число точек может меняться в зависимости от характера интерполирующей функции.

Бедное топливо и богатое топливо определяются следующим образом. Газовые турбины для промышленных применений используют природный газ, который содержит СН₄ более 90%. Природный газ считается богатым газовым топливом. При смешивании природного газа с инертными газами, например азотом, углекислым газом и аргоном, получаются более бедные газовые топлива, то есть с более низким значением LHV (LHV - низшая теплота сгорания (low heating value) газа, представляющая собой количество энергии, которое может быть получено из единицы массы газа при его сгорании). Богатое топливо может быть получено при смешивании природного газа с более тяжелыми углеводородами, такими как этан, пропан и/или бутан.

Для каждого из вышеописанных множеств точек центральная точка (А5, В5, С5 и D5) определяется с помощью двух билинейных интерполяций (упомянутой функции g). Билинейная интерполяция является расширением линейной интерполяции для интерполирующих функций от двух переменных на регулярной сетке. При билинейной интерполяции выполняется линейная интерполяция сначала в одном направлении, а затем в другом направлении. Точки А5 и В5 задают кривую 100 регулирования температуры для бедного газа, а точки С5 и D5 задают кривую 102 регулирования температуры для богатого газа. Как было указано выше, может использоваться другая функция, отличная от билинейной интерполяции.

Точка ttx_{set point} определяется с помощью линейной интерполяции (упомянутой функции h или, в другом применении, других функций) двух ординат, соответствующих фактическим коэффициентам давления на двух кривых 100 и 102 регулирования, основанных на значениях LHV_{actual gas}, LHV_{rich gas} и LHV_{lean gas}.

Если вычисляется большее число точек для других условий и/или значений рассматриваемых параметров, то может определяться больше точек ttx_{set point}. Нанося эти точки в зависимости от коэффициента tpr давления, получают эталонную кривую 104 температуры выхлопного газа, показанную на фиг.6. Следует отметить, что эталонная кривая 104 температуры выхлопного газа лежит между двумя кривыми 100 и 102 регулирования. В соответствии с примером осуществления изобретения (не показан) кривая 104 параллельна кривым 100 и 102.

Шаги вычисления точки ttx_set point могут быть представлены на блок-схеме, показанной на фиг.7. В соответствии с фиг.7 блок 110 селектора данных получает в качестве входных данных температуру окружающей среды tamb, угол поворота лопаток IGV, скорость tnh вращения вала и матричные данные для богатого газа. Пример матричных данных для богатого газа:

ttxr

ttxri,j,k	tambi
	igv1	igv2	…	igv5	igv6
tnh1	ttxri,1,1	ttxri,2,1	…	ttxri,5,1	ttxri,6,1
tnh2	ttxri,1,2	…	…	…	…
tnh3	ttxri,1,3	…	…	…	…
tnh4	ttxri,1,4	…	…	…	ttxri,6,4

а матрица коэффициентов давления турбины для богатого газа задается в виде:

tprr

thrri,j,k	tambi
	igv1	igv2	Igv3	igv5	igv6
tnh1	ttxri,1,1	ttxri,2,1	ttxri,3,1	ttxri,5,1	ttxri,6,1
tnh2	ttxri,1,2	…	…	…	…
tnh3	ttxri,1,3	…	…	…	…
tnh4	ttxri,1,4	…	…	…	ttxri,6,4

Восемь точек C1-C4 и D1-D4 (показаны на фиг.5) являются выходом блока 110 селектора данных. Эти выходные данные подаются на вход блока 112 интерполятора. Тот же процесс повторяется блоком 114 селектора данных для тех же параметров, за исключением того, что вместо матричных данных для богатого газа используется матричные данные для бедного газа. Выходные данные интерполяторов 112 и 116, то есть зависимость ttx от tpr в виде фактической кривой регулирования для богатого газа и зависимость ttx от tpr в виде фактической кривой регулирования для бедного газа, подаются на вход блока 118 вычислений для вычисления двух контрольных точек ttx. Линейный интерполятор 120 получает две контрольные точки ttx и интерполирует их для получения конечной точки ttx_{set point}. На основе выходных данных линейного интерполятора 120 блок 122 горения может вычислять изменение ttx_{set point} газовой турбины. Следует отметить, что линейный интерполятор 120 и блок 122 горения могут получать непосредственно информацию о значении LHV топливного газа.

Имея ttx_{set point}, контроллер 70 может быть запрограммирован для контроля этого значения и для регулирования различных параметров газовой турбины 30 (например, угла IGV, количества топлива и т.д.) для удержания ttx_{set point} в заранее заданном диапазоне для обеспечения эффективной работы газовой турбины. В одном примере осуществления изобретения, в котором используется газовая турбина с одним валом, ttx_{set point} может корректироваться путем регулирования угла IGV. Теперь рассчитывается эталонная кривая ttxh 104 температуры выхлопного газа, которой должна следовать газовая турбина.

Рассмотрим три вектора, которые определяют эксплуатационные параметры газовой турбины. Этими векторами являются tamb, igv и tnh, которые соответствуют температуре окружающей среды, углу IGV и скорости вращения вала. Математические выражения для этих трех векторов следующие:

tamb=[tamb_i]=[tamb₁, tamb₂, …, tamb₇]

с индексом i, равным

2, если tamb<tamb₂,

3, если tamb₂≤tamb<tamb₃,

4, если tamb₃≤tamb<tamb₄,

5, если tamb₄≤tamb<tamb₅,

6, если tamb₅≤tamb<tamb₆,

7, если tamb₆≤tamb,

где tamb является фактической температурой окружающей среды.

Вектор угла igv определяется следующим образом:

igv=[igv_j]=[igv₁, igv₂, …, igv₆] с индексом j, равным:

2, если igv<igv₂,

3, если igv₂≤igv<igv₃,

4, если igv₃≤igv<igv₄,

5, если igv₄≤igv<igv₅,

6, если igv₅≤igv,

где igv является фактическим углом igv.

Вектор скорости вращения вала tnh определяется следующим образом:

tnh=[tnh_k]=[tnh₁, tnh₂, tnh₃, tnh₄] с индексом k, равным:

2, если tnh<tnh₂,

3, если tnh₂≤tnh<tnh₃,

4, если tnh₃≤tnh,

где tnh является процентной фактической скоростью вращения вала. Значения i, j и k меняются в зависимости от применения и могут принимать различные значения.

Четыре трехмерные матрицы вводятся для расчета эталонной кривой ttxh температуры выхлопного газа, то есть эталонной кривой, используемой оператором для управления газовой турбиной. В соответствии с одним из примеров осуществления изобретения, кривую ttxh можно рассматривать как геометрическое место точек, в которых турбина работает при оптимальных значениях ttx и tpr. Четыре матрицы представляют матрицу ttxl температуры выхлопного газа для бедного топлива, матрицу tprl коэффициентов давления для бедного топлива, матрицу ttxr температуры выхлопного газа для богатого топлива и матрицу tprr коэффициентов давления для богатого топлива. Элементы этих матриц приведены ниже:

ttxl=[ttxl_i,j,k] для бедного топлива,

tprl=[tprl_i,j,k] для бедного топлива,

ttxr=[ttxl_i,j,k] для богатого топлива, и

tprr=[tprr_i,j,k] для богатого топлива.

Предполагая, что фактические условия эксплуатации tamb, igv и tnh находятся в пределах диапазонов tamb_i-1≤tamb<tamb_i, igv_j-1≤igv<igv_j и tnh_k-1≤tnh<tnh_k, фактическая эталонная кривая ttxh имеет вид

ttxh=ttxha+Δttxh,

где ttxha - эталонная кривая для работы газовой турбины в оптимальных точках ttx и tpr, но с учетом давления на входе в компрессор и падения давления выхлопного газа газовой турбины, a Δttxh - поправка к ttxha, используемая для поддержания оптимальных значений температуры горения в турбине, в то время как меняются падение давления на входе и падение давления выхлопного газа турбины.

Эталонная кривая ttxha определяется как

ttxha=ttxhr·(LHV-LHVI)/(LHVr-LHVI)+ttxhl·(LHVr-LHV)/(LHVr-LHVI),

где параметры, задающие ttxha, определяются следующим образом:

ttxhr=ttxr_i-1+(ttxr_i-ttxr_i-1)/(tprr₁-tprr_i-1)·(tpr-tprr_i-1),

ttxhl=ttxl_i-1+(ttxl_i-ttxl_i-1)/(tprl_i-tprl_i-1)·(tpr-tprl_i-1),

LHV - низшая теплота сгорания фактического топлива,

LHVI - низшая теплота сгорания бедного топлива,

LHVr - низшая теплота сгорания богатого топлива.

Применяются следующие билинейные интерполяции:

ttxl_i-1=BilinearInterpolation(ttxl_i-1,j-1,k-1, ttxl_i-1,j,k-1, ttxl_i-1,j,k, ttxl_i-1,j-1,k, igv, tnh)=

ttxl_i-1,j-1,k-1(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

ttxl_{i-1,j, k-1}·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

ttxl_i-1,j,k·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1)+

ttxl_i-1,j-1,k·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1),

ttxl_i=BilinearInterpolation(ttxl_i,j-1,k-1, ttxl_i,j,k-1, ttxl_i,j,k, ttxl_i,j-1,k, igv, tnh)=

ttxl_i,j-1,k-1·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

ttxl_i,j,k-1·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

ttxl_i,j,k·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1)+

ttxl_i,j-1,k·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1),

tprl_i-1=BilinearInterpolation(tprl_i-1,j-1,k-1, tprl_i-1,j,k-1, tprl_i-1,j,k, tprl_i-1,j-1,k, igv, tnh)=

tprl_i-1,j-1,k-1·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

tprl_i-1,j,k-1·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

tprl_i-1,j,k·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1)+

tprl_i-1,j-1,k·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1),

tprl_i=BilinearInterpolation(tprl_i,j-1,k-1, tprl_i,j,k-1, tprl_i,j,k, tprl_i,j-1,k, igv, tnh)=

tprl_i,j-1,k-1·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

tprl_i,j,k-1·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

tprl_i,j,k·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1)+

tprl_i,j-1,k·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1),

ttxr_i-1=BilinearInterpolation(ttxr_i-1,j-1,k-1, ttxr_i-1,j,k-1, ttxr_i-1,j,k, ttxr_i-1,j-1,k, igv, tnh)=

=ttxr_i-1,j-1,k-1 (igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

ttxr_i-1,j,k-1·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

ttxr_i-1,j,k·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1)+

ttxr_i-1,j-1,k·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1),

ttxr_i=BilinearInterpolation(ttxr_i,j-1,k-1, ttxr_i,j,k-1, ttxr_i,j,,k, ttxr_i,j-1,k. igv, tnh)=

ttxr_i,j-1,k-1·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

ttxr_i,j,k-1·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

ttx_i,j,k·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1)+

ttxr_i,j-1,k·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1),

tprr_i-1=BilinearInterpolation(tprr_i-1,j-1,k-1, tprr_i-1,j,_k-1. tprr_i-1,j,k, tprr_i-1,j-1,k, igv, tnh)=

tprr_i-1,j-1,k-1·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

tprr_i-1,j,k-1·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

tprr_i-1,j,k·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1)+

tprr_i-1,j-1,k·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1), and

tprr_i=BilinearInterpolation(tprr_i,j-1,k-1, tprr_i,j,k-1, tprr_i,j,k, tprr_i,j-1,k, igv, tnh)=

tprr_i,j-1,k-1·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

tprr_i,j,k-1·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh_k-tnh)/(tnh_k-tnh_k-1)+

tprr_i,j,k·(igv-igv_j-1)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1)+

tprr_i,j-1,k·(igv_j-igv)/(igv_j-igv_j-1)·(tnh-tnh_k-1)/(tnh_k-tnh_k-1)

Поправка Δttxh имеет вид

Δttxh=ttxh·((pamb_actual+Δp_{exhaust ref})/(pamb_actual+Δp_exhaust))^(Y/(1-Y))-1)+((pamb_actual-Δp_{inlet ref})/(pamb_actual-Δp_inlet))^(Y/(1-Y))-1)),

где Y=a·tpr+b, а и b являются константами, и Y устанавливается так, чтобы соблюдалось политропическое расширение газа в газовой турбине (р·t^((1-Y)/Y)/v)=constant).

Поправка Δttxh учитывает, среди прочего, фактическое падение давления выхлопного газа газовой турбины и фактическое падение давления на входе. Поскольку кривая регулирования температуры газовой турбины (например, ttxh) зависит от эталонного падения Δp_{exhaust ref} давления выхлопного газа и эталонного падения Δp_{inlet ref} давления на входе, имеется возможность корректировать эти кривые для различных падений давления выхлопного газа и давления на входе, используя, например, функцию Δttxh.

Значение фактического падения Ap_{inlet act} давления на входе может измеряться вместо того, чтобы оцениваться в зависимости от величины загрязнения на входе в компрессор. Д