用于在瞬變期間控制燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)和方法
【專利摘要】提供了用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)和方法。控制器(40)對(duì)至少一個(gè)參數(shù)作出響應(yīng)，以控制空燃比。所述參數(shù)可以是來(lái)自溫度傳感器(42)的測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度。在例如發(fā)動(dòng)機(jī)的功率提升狀況之類的瞬變期間，這類參數(shù)的測(cè)量值可具有時(shí)滯，所述時(shí)滯在瞬變狀況期間影響一個(gè)或多個(gè)控制設(shè)定。所述控制器被編程為預(yù)測(cè)性地為所述參數(shù)的測(cè)量值確定偏差，以校正這些控制設(shè)定，并且避免在這類瞬變狀況期間的燃燒不穩(wěn)定性和高排放。
【專利說明】
用于在瞬變期間控制燃?xì)鉂M輪發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明總體上設(shè)及用于例如燃?xì)鉂M輪發(fā)動(dòng)機(jī)之類的發(fā)電裝置的控制系統(tǒng)和方法， 并且更具體而言，設(shè)及用于在例如功率提升(ramping)之類的瞬變期間控制燃?xì)鉂M輪發(fā)動(dòng) 機(jī)的控制系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 例如燃?xì)廨啓C(jī)電站之類的發(fā)電系統(tǒng)包括復(fù)雜的燃燒部件和過程，W便改善燃燒效 率。最近的市場(chǎng)趨勢(shì)要求燃?xì)鉂M輪發(fā)動(dòng)機(jī)具有快速的功率提升能力（ramping capability)。例如，隨著通過風(fēng)能的利用來(lái)發(fā)電的出現(xiàn)，電力企業(yè)可將燃?xì)廨啓C(jī)與風(fēng)力滿 輪機(jī)場(chǎng)(wind turbine fields)互連，W維持恒定的電網(wǎng)發(fā)電，而不管風(fēng)力變化(wind vari ab i 1 i ty)如何。因此，具備快速的提升能力正在變?yōu)槠谕哪芰?，使得燃?xì)鉂M輪發(fā)動(dòng)機(jī) 能夠有助于將公用事業(yè)發(fā)電維持在恒定的水平，并且緩解任何其他的電網(wǎng)干擾。盡管在該
技術(shù)領(lǐng)域中已取得進(jìn)步，但仍然需要在運(yùn)些快速提升狀況期間能夠維持適當(dāng)?shù)陌l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒 動(dòng)力學(xué)并且繼而提供可接受的排放水平的控制系統(tǒng)和方法。
【附圖說明】
[0003] 鑒于附圖在下面的描述中解釋本發(fā)明，附圖示出了 ：
[0004] 圖1示出了相應(yīng)的示例性繪圖，其可用于比較性地概念化在發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬變狀況期 間相對(duì)于測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度響應(yīng)的理想的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度響應(yīng)。
[0005] 圖2示出了相應(yīng)的示例性繪圖，其可用于比較性地概念化在發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬變狀況期 間相對(duì)于理想的燃燒室空燃比(AFR)的實(shí)際的燃燒室Am?。
[0006] 圖3是可從實(shí)施本發(fā)明的多個(gè)方面的控制系統(tǒng)獲益的示例性燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的示意 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0007] 本發(fā)明人已創(chuàng)新性地克服了能夠與燃?xì)鉂M輪發(fā)動(dòng)機(jī)在瞬變狀況期間的操作相關(guān) 地出現(xiàn)的某些問題，所述瞬變狀況例如可設(shè)及相對(duì)快速提升的狀況，在一個(gè)非限制性示例 中，所述相對(duì)快速提升的狀況可包括高達(dá)40MW/min并且可能甚至更高的提升速率(ramping rate)。本發(fā)明人已聰明地認(rèn)識(shí)到，測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的滯后能夠?qū)е掳l(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比 (AFR)的波動(dòng)，運(yùn)又能夠?qū)е略谶\(yùn)樣的瞬變期間的高氮氧化物(NOx)排放和高燃燒不穩(wěn)定 性。本發(fā)明人提出了一種創(chuàng)新的控制系統(tǒng)和方法，在一個(gè)示例性實(shí)施例中，其去除或至少大 幅減小了測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的滯后效應(yīng)。
[000引圖1示出了相應(yīng)的示例性繪圖，其可用于將在例如發(fā)動(dòng)機(jī)的提升狀況之類的通過 繪圖6表示的瞬變期間的理想的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度響應(yīng)(繪圖4)與測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度響 應(yīng)(繪圖5)進(jìn)行比較。在該示例中，能夠注意到在理想的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度響應(yīng)和測(cè)量的發(fā)動(dòng) 機(jī)排氣溫度之間的大約30秒的時(shí)滯(通過箭頭7表示）。
[0009] 由于測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的運(yùn)種時(shí)滯，發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比(AFR)可在發(fā)動(dòng)機(jī)的提升 狀況期間波動(dòng)。運(yùn)可在圖2中注意到，其中，繪圖8表示實(shí)際測(cè)量的燃燒室AFR的示例，并且繪 圖9表示理想的燃燒室AFR。繪圖8上的圈11表示易于發(fā)生相對(duì)高排放和高燃燒不穩(wěn)定性的 區(qū)域。一旦發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)態(tài)操作，測(cè)量的排氣溫度和AFR就基本上與理想的排氣溫度和AFR 匹配，并且作為結(jié)果，可滿足排放及燃燒動(dòng)力學(xué)的需求。
[0010] 圖3圖示了示例性燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)10的示意圖，所述示例性燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)10的特定 部件可在本文中稱為發(fā)動(dòng)機(jī)，并且所述示例性燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)10可從本發(fā)明的多個(gè)方面獲 益。將認(rèn)識(shí)到的是，本發(fā)明的實(shí)施例可與各種燃?xì)廨啓C(jī)或其他發(fā)電系統(tǒng)一起使用。系統(tǒng)10可 包括用于引入環(huán)境氣流14的壓縮機(jī)12,所述環(huán)境氣流14可通過入口導(dǎo)葉（IGV)16來(lái)調(diào)節(jié)，W 控制到壓縮機(jī)12并且繼而到燃燒室20的氣流。壓縮的空氣18可W被提供給燃燒室20,并且 燃燒氣體22可W被提供給滿輪24,在那里，能量被提取W使軸26轉(zhuǎn)動(dòng)。軸26可W給壓縮機(jī)12 和例如發(fā)電機(jī)(未示出)之類的輔助設(shè)備供能。
[0011] 系統(tǒng)10可包括燃料系統(tǒng)30,在一個(gè)示例性實(shí)施例中，所述燃料系統(tǒng)30可W給燃燒 室20提供至少一個(gè)可控的可燃燃料的流32。控制器40可W按照具有可執(zhí)行指令的處理器或 計(jì)算機(jī)、數(shù)字或模擬控制系統(tǒng)或者用于接收輸入信號(hào)或數(shù)據(jù)包、處理數(shù)據(jù)、執(zhí)行指令、產(chǎn)生 適當(dāng)?shù)妮敵鲂盘?hào)并且傳輸數(shù)據(jù)包的其他裝置的形式來(lái)提供。控制器40可W被配置成具有適 當(dāng)?shù)目刂颇K和數(shù)據(jù)庫(kù)，W執(zhí)行本發(fā)明的各個(gè)方面。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，控制器40可對(duì) 至少一個(gè)參數(shù)作出響應(yīng)，W控制空燃比。在例如發(fā)動(dòng)機(jī)的提升狀況之類的瞬變期間，該參數(shù) 的測(cè)量值包括在發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬變狀況期間影響至少一個(gè)控制設(shè)定的時(shí)滯。根據(jù)本發(fā)明的多個(gè) 方面，控制器40可W被編程為預(yù)測(cè)性地確定校正值，例如發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度(Texh)偏差，W校 正運(yùn)樣的控制設(shè)定。
[0012] 在一個(gè)示例性實(shí)施例中，控制器40提供了可部分基于發(fā)動(dòng)機(jī)Texh測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)控 審IJ。在不限制本發(fā)明的各方面的情況下，控制器40可W被稱為出口溫度控制(0TC)控制器， 并且該參數(shù)可包括測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度，如可通過例如熱電偶之類的溫度傳感器42測(cè)量 的。將理解的是，一般而言，顯示時(shí)滯并且可用于控制空燃比的可被提供給控制器40的任何 溫度測(cè)量或指示都能夠從本發(fā)明的各方面獲益，而無(wú)論可取得該測(cè)量或指示的位置在哪。 因此，術(shù)語(yǔ)"發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度測(cè)量"無(wú)需限于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣位置。例如，該測(cè)量可包括葉片路徑 溫度測(cè)量或類似的測(cè)量。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，所述偏差的確定可至少部分地基于發(fā)動(dòng) 機(jī)在瞬變狀況期間的提升速率W及測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的時(shí)滯。在一個(gè)示例性實(shí)施例 中，所述偏差可W被應(yīng)用于在目前發(fā)動(dòng)機(jī)狀況下的穩(wěn)態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)Texh值。
[0013] 在一個(gè)示例性實(shí)施例中，所述偏差的確定是基于下式：
[0014] Texhbias'i = aX (MWrateX A tiagX (Texhss'i-Texhss'2))+b
[0015] 其中，
[0016] 了日油6133,1 =對(duì)在目前發(fā)動(dòng)機(jī)狀況下的穩(wěn)態(tài)排氣溫度巧日油)值的偏差，
[0017] ^xliss, 1 =在目前發(fā)動(dòng)機(jī)狀況下的穩(wěn)態(tài)Texh值，
[0018] 化xhss, 2 =在目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)狀況下的穩(wěn)態(tài)Texh值，
[0019] MWrate =發(fā)動(dòng)機(jī)的提升速率，
[0020] Atlag =滯后時(shí)間的值，
[0021] a =比例系數(shù)，W及
[0022] b =位點(diǎn)特定常數(shù)。
[0023] 如從上式能夠理解的，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度偏差與發(fā)動(dòng)機(jī)的提升速率、滯后時(shí)間值W 及在目前發(fā)動(dòng)機(jī)狀況下和目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)狀況下的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度值的差成比例。例如，如果 滯后被留下未校正，則控制器可能不適當(dāng)?shù)卮_定發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際上已達(dá)到目標(biāo)狀況，并且控制 器可能嘗試IGV和/或燃料流設(shè)定來(lái)補(bǔ)償該錯(cuò)誤的確定，直至測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的滯后 值最終趕上。該偏差實(shí)質(zhì)上通過從穩(wěn)態(tài)值預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)既不過度燃燒也不燃燒不足的狀況來(lái) 限定針對(duì)提升狀況的新的偽發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，并且因此，避免燃燒不穩(wěn)定性和高排放。一旦Texh 偏差值已被確定，就可形成適當(dāng)?shù)目刂七壿嫳?，如下面的?中所示。在一個(gè)示例性實(shí)施例 中，運(yùn)樣的控制邏輯表實(shí)質(zhì)上起偏差調(diào)整器44的作用，所述偏差調(diào)整器44配置成根據(jù)環(huán)境 溫度和/或發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷對(duì)通過控制器40確定的偏差進(jìn)行調(diào)整。
[0024]
[00巧]表1:偏差調(diào)整器
[0026] 可基于確定的偏差來(lái)校正的一個(gè)示例性控制設(shè)定可W是在發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬變狀況期 間定位入口導(dǎo)葉16的控制設(shè)定?？尚Ｕ牧硪皇纠钥刂圃O(shè)定可W是控制在發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬變 狀況期間對(duì)于到燃燒室20的可控的可燃燃料流32的需求。
[0027] 將理解的是，如可在燃?xì)鉂M輪發(fā)動(dòng)機(jī)中在瞬變狀況期間用于去除或至少大幅減小 測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的滯后效應(yīng)的示例性發(fā)明設(shè)備的各方面，W及本文所公開的方法可 通過任何適當(dāng)?shù)奶幚砥飨到y(tǒng)、使用任何適當(dāng)?shù)木幊陶Z(yǔ)言或編程技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。所述系統(tǒng)能夠 采用任何適當(dāng)?shù)碾娐返男问剑缈砂布?shí)施例、軟件實(shí)施例或包括硬件元件和軟件 元件二者的實(shí)施例。在一個(gè)實(shí)施例中，所述系統(tǒng)可借助于軟件和硬件(例如，處理器、傳感器 等)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其可包括但不限于固件、常駐軟件、微代碼等。此外，處理器系統(tǒng)的多個(gè)部分能 夠采用計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的形式，所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品可由提供了供計(jì)算機(jī)或任何指令執(zhí)行 系統(tǒng)使用或與之結(jié)合使用的程序代碼的計(jì)算機(jī)可用或計(jì)算機(jī)可讀的介質(zhì)訪問。計(jì)算機(jī)可讀 介質(zhì)的示例可包括例如半導(dǎo)體或固態(tài)存儲(chǔ)器之類的非暫時(shí)性的有形計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)、磁 帶、移動(dòng)計(jì)算機(jī)磁盤、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、剛性磁盤W及光盤。光盤的 當(dāng)前示例包括光盤只讀存儲(chǔ)器(CD-ROM)、可擦寫光盤(CD-R/W)和DVD。界面顯示器可W是平 板電腦、平板顯示器、PDA等。
[0028] 雖然本文已示出和描述了本發(fā)明的各種實(shí)施例，但將顯而易見的是，運(yùn)些實(shí)施例 僅作為示例來(lái)提供。在不脫離本文中的發(fā)明的情況下可作出許多變型、改變和替換。因此， 本發(fā)明意在僅通過所附權(quán)利要求的精神和范圍來(lái)限制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，包括： 對(duì)至少一個(gè)參數(shù)作出響應(yīng)以控制空燃比的控制器，其中，在所述發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬變狀況期 間，所述至少一個(gè)參數(shù)的測(cè)量值包括在所述發(fā)動(dòng)機(jī)的所述瞬變狀況期間影響至少一個(gè)控制 設(shè)定的時(shí)滯，其中，所述控制器被編程為預(yù)測(cè)性地確定偏差，以校正所述至少一個(gè)控制設(shè) 定。2. 如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器提供部分基于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫 度測(cè)量的控制，并且所述至少一個(gè)參數(shù)包括測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度。3. 如權(quán)利要求2所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述偏差的確定至少部分地基于所述發(fā) 動(dòng)機(jī)在所述瞬變狀況期間的提升速率和所述測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的時(shí)滯。4. 如權(quán)利要求2所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述偏差被應(yīng)用于在目前發(fā)動(dòng)機(jī)狀況下 的穩(wěn)態(tài)排氣溫度值。5. 如權(quán)利要求2所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述偏差的確定是基于下式： Texhbias,i = aX (MffrateX A tiagX (Texhss,i-Texhss,2))+b 其中， Texhbias, 1 =對(duì)在目前發(fā)動(dòng)機(jī)狀況下的穩(wěn)態(tài)排氣溫度(Texh)值的偏差， Texhss, 1 =在所述目前發(fā)動(dòng)機(jī)狀況下的穩(wěn)態(tài)Texh值， Texhss,2 =在目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)狀況下的穩(wěn)態(tài)Texh值， Mffrate =所述發(fā)動(dòng)機(jī)的提升速率， A tiag =滯后時(shí)間的值， a=比例系數(shù)，以及 b =位點(diǎn)特定常數(shù)。6. 如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，還包括控制到壓縮機(jī)的入口氣流的入口導(dǎo)葉，其中， 所述至少一個(gè)控制設(shè)定包括在所述發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬變狀況期間定位所述入口導(dǎo)葉的控制設(shè)定。7. 如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，還包括控制到燃燒室的至少一個(gè)燃料流的燃料系統(tǒng)， 其中，所述至少一種控制設(shè)定還包括對(duì)所述至少一個(gè)燃料流的需求。8. 如權(quán)利要求2所述的控制系統(tǒng)，還包括偏差調(diào)整器，所述偏差調(diào)整器配置成根據(jù)環(huán)境 溫度來(lái)調(diào)整所述偏差。9. 如權(quán)利要求2所述的控制系統(tǒng)，還包括偏差調(diào)整器，所述偏差調(diào)整器配置成根據(jù)發(fā)動(dòng) 機(jī)負(fù)荷來(lái)調(diào)整所述偏差。10. 如權(quán)利要求2所述的控制系統(tǒng)，還包括偏差調(diào)整器，所述偏差調(diào)整器配置成根據(jù)環(huán) 境溫度和/或發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷來(lái)調(diào)整所述偏差。11. 一種用于控制燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，所述方法包括： 利用對(duì)至少一個(gè)參數(shù)作出響應(yīng)的控制器來(lái)控制空燃比； 測(cè)量所述至少一個(gè)參數(shù)的值，所述至少一個(gè)參數(shù)的所述值在所述發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬變狀況期 間包括在所述發(fā)動(dòng)機(jī)的所述瞬變狀況期間影響至少一個(gè)控制設(shè)定的時(shí)滯；以及 預(yù)測(cè)性地確定偏差，以校正所述至少一個(gè)控制設(shè)定。12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述控制包括部分地基于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度 測(cè)量的控制，并且所述至少一個(gè)參數(shù)包括測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度。13. 如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述偏差的確定至少部分地基于所述發(fā)動(dòng) 機(jī)在所述瞬變狀況期間的提升速率和所述測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的時(shí)滯。14. 如權(quán)利要求12所述的方法，還包括將所述偏差應(yīng)用于在目前發(fā)動(dòng)機(jī)狀況下的穩(wěn)態(tài) 排氣溫度值。15. 如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述偏差的確定是基于下式： Texhbias,i = aX (MffrateX A tiagX (Texhss,i-Texhss,2))+b 其中， Texhbias, 1 =對(duì)在目前發(fā)動(dòng)機(jī)狀況下的穩(wěn)態(tài)排氣溫度(Texh)值的偏差， Texhss, 1 =在所述目前發(fā)動(dòng)機(jī)狀況下的穩(wěn)態(tài)Texh值， Texhss,2 =在目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)狀況下的穩(wěn)態(tài)Texh值， Mffrate =所述發(fā)動(dòng)機(jī)的提升速率， A tiag =滯后時(shí)間的值， a=比例系數(shù)，以及 b =位點(diǎn)特定常數(shù)。16. 如權(quán)利要求11所述的方法，還包括利用入口導(dǎo)葉來(lái)控制到壓縮機(jī)的入口氣流，其 中，所述至少一個(gè)控制設(shè)定包括在所述發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬變狀況期間定位所述入口導(dǎo)葉的控制設(shè) 定。17. 如權(quán)利要求11所述的方法，還包括控制到燃燒室的至少一個(gè)燃料流，其中，所述至 少一個(gè)控制設(shè)定還包括對(duì)所述至少一個(gè)燃料流的需求。18. 如權(quán)利要求12所述的方法，還包括根據(jù)環(huán)境溫度來(lái)調(diào)整所述偏差。19. 如權(quán)利要求12所述的方法，還包括根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷來(lái)調(diào)整所述偏差。
【文檔編號(hào)】F02C9/54GK106062343SQ201480071392
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2014年12月17日
【發(fā)明人】K·C·米杜圖里, D·W·科扎楚克
【申請(qǐng)人】西門子公司