用于操作燃气涡轮发动机系统的方法和系统.pdf

本发明涉及用于操作燃气涡轮发动机系统的方法和系统，具体而言，提供了一种燃气涡轮发动机系统(10)。该燃气涡轮发动机系统(10)包括燃气涡轮发动机和燃料控制系统(288)；其中，燃气涡轮发动机包括构造成从流控制装置接收燃料流的至少一个燃烧器(14)；燃料控制系统(288)包括构造成将燃料流从燃料源导向流控制装置的管道系统和设定成产生指示燃料流的性质的信号的传感器，其中，燃料流的性质随时间变化，该燃料控制系统还包括具有处理器的控制器，此处理器被编程来接收产生的信号，使用管道系统的流模型和接收到的信号来迭代地跟踪流过管道系统的多个离散体积的前进，以及使用流控制装置来控制燃料流。

1.  一种燃气涡轮发动机系统(10)，包括：
燃气涡轮发动机，其包括构造成从流控制装置接收燃料流的至少一个燃烧器(14)；和
燃料控制系统，其包括：
管道系统，其构造成将所述燃料流从燃料源导向所述流控制装置；
传感器，其设定成产生指示所述燃料流的性质的信号，其中，所述燃料流的性质能够随时间变化；以及
包括处理器的控制器，所述控制器被编程以：
接收产生的信号；
使用所述管道系统的流模型和接收到的信号，迭代地跟踪流过所述管道系统的多个离散体积的前进；以及
使用所述流控制装置来控制所述燃料流。

2.  根据权利要求1所述的一种燃气涡轮发动机系统(10)，其特征在于，所述流模型包括分成多个控制体积元素(302)的一维线性控制体积，控制体积元素的个数限定流模型网格。

3.  根据权利要求2所述的一种燃气涡轮发动机系统(10)，其特征在于，所述一维线性控制体积中的控制体积元素(302)的个数用以下公式确定：
#元素数＝(V_tot/Q_min*Δt)，
其中，
Q_min＝流体的最小可能体积流率，[ft³/sec]
V_tot＝总的控制系统体积，[ft³]
Δt＝模型时间步长，[sec]。

4.  根据权利要求2所述的一种燃气涡轮发动机系统(10)，其特征在于，所述控制体积元素(302)各对应于一维数组中的相应的元素。

5.  根据权利要求1所述的一种燃气涡轮发动机系统(10)，其特征在于，所述处理器(29)还被编程成使用在所述时间步长上的所述燃料流的体积流率、所述管道系统的横截面积和该流模型时间步长来确定在所述流模型的时间步长期间由所述控制体积元素(302)通过的线性距离。

6.  根据权利要求1所述的一种燃气涡轮发动机系统(10)，其特征在于，所述流模型包括一维矩阵(608)，其中，各矩阵元素包括对应的控制体积元素(302)的性质。

7.  根据权利要求1所述的一种燃气涡轮发动机系统(10)，其特征在于，所述处理器(29)还被编程成在所述控制器的各扫描期间更新所述一维数组的单个元素。

8.  根据权利要求1所述的一种燃气涡轮发动机系统(10)，其特征在于，所述处理器(29)还被编程成在各模型时间步长上自动地确定所述燃料流的物理性质。

9.  根据权利要求1所述的一种燃气涡轮发动机系统(10)，其特征在于，所述燃料流的物理性质包括该燃料的湿气含量。

10.  根据权利要求1所述的一种燃气涡轮发动机系统(10)，其特征在于，所述处理器(29)还被编程成使用通过所述流模型的元素的线性通过距离来保持各控制体积元素(302)的边界。

用于操作燃气涡轮发动机系统的方法和系统
技术领域
本发明一般地涉及燃气涡轮发动机，更具体地说，涉及用于控制燃气涡轮发动机的运转的方法和装置。
背景技术
燃气涡轮发动机典型地包括压缩机部分、燃烧器部分和至少一个涡轮部分。压缩机压缩空气，此空气与燃料混合并被引导至燃烧器。之后，该混合物被点燃产生热的燃烧气体。此燃烧气体被引导至涡轮，该涡轮从燃烧气体获取能量，用于给压缩机提供动力，以及产生有用功，以给负载如发电机提供动力，或推动飞行中的飞机。
燃气涡轮发动机在很多不同的运行条件下运转，燃烧器的性能在宽范围的发动机运行条件上促进发动机的运转。控制燃烧器性能可用于改善整体的燃气涡轮发动机运转。更具体地说，允许气体燃料成分例如热值及比重的更大的变化，同时保持NO_x排放物和燃烧动力学水平在预定的限制之内。装备有干燥的低NO_x(DLN)燃烧系统的燃气涡轮机典型地采用包括多喷嘴、预混合燃烧器的燃料传送系统。DLN燃烧器设计采用稀预混合燃烧(lean premixed combustion)，以便在不使用如水或蒸汽等稀释剂的情况下实现低的NO_x排放。稀预混合燃烧包括在燃烧器的火焰带的上游预混合燃料和空气，以及接近燃料的可燃性下限运行，以便保持最高火焰温度和低的NO_x产生。为了应对稀预混合燃烧中固有的稳定性问题和跨越燃气涡轮机运行范围发生的宽的燃料-空气比范围，DLN燃烧器典型地在各个燃烧室中具有单独地或以子群(sub-group)方式被供给燃料的多个喷嘴。燃气涡轮机燃料系统具有分别地受控制的传送回路，以便对各室中的各组喷嘴进行供给。该控制系统在涡轮运行范围上对各个回路的燃料流量(燃料分流量)进行变化，以保持火焰稳定性、低排放和可接受的燃烧器寿命。到各个喷嘴子群的燃料流量通过气体控制阀(GCV)来控制。燃料分流量用于在活动的GCV之间分配总的燃料命令(燃料冲程基准(Fuel StrokeReference))，且得到的GCV燃料流量百分比命令被转换为阀位置，以实现喷嘴子群所需要的燃料流量。
很多离散控制系统使用第三方软件接口程序或专用软件接口程序来构造和创建可执行的软件代码。这些软件接口会限制软件结构的灵活性，其一般更关注基于布尔或逻辑的软件策略，并常常不适合于嵌套循环的或基于矩阵的软件。一些数字控制系统平台不直接允许基于循环(if，while等)的软件，并且不允许动态可扩展矩阵，因此，在变量创建时所有指定的矩阵的维数都是固定的。这样的限制在实现基于迭代矩阵的流体系统流模型时产生若干挑战。
发明内容
在一个实施例中，燃气涡轮发动机系统包括燃气涡轮发动机，其包括构造成从流控制装置接收燃料流的至少一个燃烧器和燃料控制系统。该燃料控制系统包括构造成引导燃料流从燃料源到流控制装置的管道系统；设定成产生信号的传感器，该信号指示燃料流的性质，其中该燃料流的性质可随时间变化；以及包括处理器的控制器。此处理器被编程为接收该产生的信号，使用管道系统的流模型和接收到的信号，迭代地跟踪流过管道系统的多个离散的体积的前进，并且使用流控制装置来控制燃料流。
在另一个实施例中，提供了用计算机实现的操作燃气涡轮发动机的方法，此燃气涡轮发动机具有包括管道系统和燃料流控制装置的燃料控制系统。该方法包括在管道系统的入口处接收指示燃料流的性质的信号，使用一维矩阵来对管道系统的至少一部分进行建模，使用接收到的信号和模型来确定流控制装置处的燃料流的性质，以及使用所确定的性质来自动地控制燃料流量和燃料分流量中的至少一个。
在又一个实施例中，燃料控制系统包括构造成允许燃料流进入燃料控制系统的燃料入口，与此燃料入口成流连通的燃料管道系统，以及构造成调节流至燃料控制系统负载中的一个或多个注入点的至少一个流控制装置，此至少一个流控制装置通过燃料管道系统与燃料入口成流连通。此燃料控制系统还包括构造成传输指示进入燃料入口的燃料流的性质的信号的输入装置，以及编程为以预定的扫描率扫描多个逻辑回路的控制器。此控制器还被编程为使用包括多个一维矩阵的流模型和所传输的信号来接收来自输入装置的指示燃料流性质的信号，实时跟踪通过燃料管道系统的燃料流的前进，以及使用被跟踪的燃料流来自动地控制燃料流和燃料分流量中的至少一个，以允许相对大的燃料性质的变化。
附图说明
图1-8显示了本文描述的方法和系统的示例性实施例。
图1是根据本发明的一个实施例的燃气涡轮发动机系统的示意图；
图2是可同图1中所示系统一起使用的示例性燃料系统流网络的示意图；
图3是可用于本发明的一个示例性实施例中的控制体积模型的示意图；
图4A是假定入口体积流量Q1的情况下在第一时间步长增量下的控制体积模型300的示意图；
图4B是假定入口体积流量Q2的情况下在第二时间步长增量下的控制体积模型300的示意图；
图4C是假定入口体积流量Q3的情况下在第三时间步长增量下的控制体积模型300的示意图；
图5A是假定入口体积流量Q4的情况下在第四时间步长增量下的控制体积模型300的示意图；
图5B是假定入口体积流量Q5的情况下在第五时间步长增量下的控制体积模型300的示意图；
图6是用于实施根据本发明的一个实施例的流体流模型的数据流图600；
图7是说明矩阵元素循环怎样对一个控制器扫描而更新的数据流图；以及
图8根据本发明的一个实施例的操作燃气涡轮发动机的示例性方法的流程图。
部件列表
10     燃气涡轮发动机系统
12     压缩机
14     燃烧器
16     涡轮
18     控制系统
20     入口管道
21     入口导向叶片
22     排放管道
24     发电机
26     温度传感器
28     燃料控制系统
29     处理器
32     调节阀(促动器32)
200    燃料系统流量网络
202    所关注的体积
204    第一入口流量流
206    第二入口流量流
208    单出口流
210    气体控制阀
212    入口燃料头
214    流孔道
216    温度传感器
218    塔入口控制阀
220    燃料增湿塔
222    第一分支
224    塔旁路控制阀
226    第二分支
228    温度传感器
230    温度传感器
232    公共燃料头
234    压力传感器
236    温度传感器
238    性能加热器
240    温度传感器
242    清洗器
244    过滤器
246    压力传感器
248    温度传感器
250    出口燃料头
252    辅助止动阀
254    安全释放阀
256    压力传感器
300    控制体积模型
302    元素
304    节点
600    数据流图
602    距离计算步骤
604    已传输的
606    边界更新步骤
608    一维边界矩阵
610    一维距离矩阵
612    边界矩阵元素
614    矩阵变换步骤
616    性质矩阵更新
618    性质矩阵数组
800    方法
802    通过将燃料系统控制体积模型以节点分割为相等地隔开的
       元素而创建流模型
804    确定节点的个数以完全地对控制体积建模，或者使用模型
       时间步长和最小流体流率来确定模型网格大小
806    将一维边界矩阵和一维性质矩阵初始化为零
810    通过将各边界值加上线性通过距离而更新边界矩阵的边界
812    更新边界流体性质矩阵
814    在各个时间步长上确定流体流模型的输出、在控制体积的
       任何位置的流体的物理性质
816    使用在流控制装置中确定的燃料性质来控制燃气涡轮发动
       机燃料流
具体实施方式
尽管本文的方法和装置是以在工业环境中使用的燃气涡轮发动机的背景下来描述的，但是可以预想本文描述的方法和装置可用于其它的燃烧器涡轮系统应用中，包括但不限于，安装在飞机和船舶中的涡轮机。此外，本文所述的原理和教导可应用于使用各种可燃烧燃料的燃气涡轮发动机，可燃烧燃料包括但不限于，天然气、液化天然气、汽油、煤油、柴油燃料和喷气燃料。因此，以下的描述仅通过说明的方式而非限定的方式进行。
如本文所使用的，以“一”或“一个”这样的单数来叙述的要件或步骤应该被理解为不排除多个要件或步骤，除非明确地指出这样的排除。进一步地，本发明的“一个实施例”的引用并不应被理解为排除了也包含所述特征的其它实施例的存在。
图1是包括压缩机12、燃烧器14、驱动地联接到压缩机12上的涡轮16和控制系统18的燃气涡轮发动机系统10的示意图。入口管道20将周围空气导向压缩机。在一个实施例中，注入的水和/或其它的增湿剂也被通过入口管道20导向压缩机。入口管道20可具有管道、过滤器、筛网和声音吸收装置，用于使流过入口管道20进入压缩机12的一个或多个入口导向叶片21的周围空气损失压力。排放管道22引导燃烧气体从涡轮16的出口通过例如排放控制装置和声音吸收装置。排放管道22可包括声音吸收材料和向涡轮16施加反压力的排放控制装置。由于增加管道部件20和22以及灰尘和污物阻塞入口和排放管道，入口压力损失和反压力的大小可随时间变化。涡轮16可以驱动产生电能的发电机24。压缩机12的入口损失和涡轮排放压力损失趋向于是通过燃气涡轮机的修正流的函数。此外，入口损失和涡轮反压力的大小可能随着通过燃气涡轮机的流率而变化。
燃气涡轮发动机系统10的运转可由若干传感器26所监控，传感器26探测涡轮16、发电机24和周围环境的各种情况。例如，温度传感器26可监控围绕燃气涡轮发动机系统10的环境温度、压缩机排出温度、涡轮排放气体温度以及通过燃气涡轮发动机的气流的其它温度测量值。压力传感器26可监控环境压力，以及在压缩机的入口和出口、涡轮排放、通过燃气涡轮机的气流中的其它位置处的静态的和动态的压力水平。湿度传感器26(如湿的和干的球管温度计)测量压缩机的入口管道中的环境湿度。传感器26还可包括流量传感器、速度传感器、火焰探测传感器、阀位置传感器、导向叶片角度传感器和探测涉及燃气涡轮发动机系统10的运转的各种参数的其它的传感器。如本文所使用，“参数”指的是其值能够用来限定燃气涡轮发动机系统10的运行条件的物理性质，如，温度、压力以及在限定的位置处的气体流量。
燃料控制系统28调节从燃料供给流向燃烧器14的燃料，而流进各燃料喷嘴的燃料之间的分流器位于燃烧室的周围。燃料控制系统28也可选择用于燃烧器的燃料类型。燃料控制系统28可以是单独的单元，或可以是控制系统18的部件。燃料控制系统28也可产生及实施燃料分流命令，该命令确定流向燃料喷嘴子群的燃料的份额。
控制系统18可以是具有一个或多个处理器29的计算机系统，该计算机系统执行程序，以使用传感器输入和来自人类操作员的指令来控制燃气涡轮机的运转。由控制器18所执行的程序可包括调度算法，用于调节燃料流向燃烧器14。由控制器所产生的命令使得燃气涡轮机上的促动器来例如调节位于燃料供给和燃烧器之间的阀(促动器32)，其调节流、燃料分流量以及流向燃烧器的燃料的类型；调整压缩机上的入口导向叶片21(促动器30)；以及激活燃气涡轮机上的其它的控制设置。
控制系统18部分地基于存储在控制器的计算机存储器中的算法来调节燃气涡轮机。这些算法使控制系统18能够将涡轮机排放中的NO_x和CO排放物保持在一定的预定排放物限制之内，并且将燃烧器燃烧温度保持在预定的温度限制内。这些算法具有对当前压缩机压力比率、环境比湿度、入口压力损失和涡轮排放反压力的参数变量的输入。由于算法所使用的输入中的参数，控制系统18适应环境温度和湿度的季节性变化，以及通过燃气涡轮机的入口20的入口压力损失的变化和在排放管道22中的排放反压力变化。环境状况、入口压力损失和排放反压力的输入参数使得NO_x、CO和在控制系统18中执行的涡轮燃烧算法能够自动地对燃气涡轮机运转的季节性变化和入口损失及反压力的变化进行补偿。因此，降低了操作员手动调节燃气涡轮机以应对环境状况的季节性变化和入口压力损失或涡轮排放反压力的需求。
燃烧器14可以是DLN燃烧系统。控制系统18可以被编程及修改，以控制DLN燃烧系统并确定燃料分流量。
由控制系统18所执行的调度和算法适应环境状况的变化(温度、湿度、入口压力损失及排放反压力)，这些变化能够影响NO_x、燃烧器动力学、部分负载的燃气涡轮机运行条件下的燃烧温度限制。控制系统18同时调度排放温度和燃烧器燃料分流量。控制系统18应用用于调度燃气涡轮机的算法，如设定需要的涡轮排放温度和燃烧器燃料分流量，以满足性能指标，同时与燃气涡轮机的可操作性边界相符。控制系统18同时确定在部分负载运行过程中的燃烧器温度上升水平和NO_x水平，以便提高燃烧动力学边界的运行边界，并从而提高燃气涡轮机的可操作性、可靠性和可用性。
燃烧器燃料分流量由控制系统18来调度，以便保持所需要的燃烧模式，同时遵守其它的可操作性边界，如燃烧动力学。在给定的负载水平下，循环匹配点和燃烧器燃料分流量影响所得到的NO_x排放物。在部分负载运行过程中，同时控制NO_x和燃烧器温度上升的水平最大限度地减小燃烧动力学水平并扩展燃气涡轮机的运行范围，而不会不利地影响排放物标准或使零件寿命。
燃烧器14包括多个燃料控制阀，为各个燃烧器中的两个或更多的喷射器群提供燃料，以便对应于机器负载来调节操作模式、排放物和燃烧动力学水平。通过调节若干燃料气体控制阀之间的燃料分流量，可以在机器负载范围上优化排放物和动力学。燃料分流量调节依赖于计算出的参考参数，称为燃烧参考温度，它是机器排放温度和其它连续地被监控的机器参数的函数。
本文所描述的本发明的实施例限定了一种方法和控制系统，以管理到位于例如燃料成分和热值变化的联合循环动力设备中的燃烧系统的燃料流。当燃料性质变化显著时允许平滑的转换的控制燃料流的一种方法被用于最大程度地减小电网的扰动，并且将烟囱排放物保持在预定的限制之内。采用燃料增湿系统来改善动力设备的整体的联合循环性能。补偿由于燃料增湿而产生的燃料成分的变化的一种方法被用来在增湿系统故障条件下以及在联合动力设备的正常启动及加载操作中促进燃烧系统的运转。燃料成分和/或热值的大的变化可导致燃烧器火焰稳定性问题，如火焰损失或过高的温度，并且可造成发电单元断开(trip off line)。
使用流模型来确定适当的计时，以调整燃料系统流，因为用于测量燃料成分和湿气含量的装置典型地仅可用于气体控制阀的正上游。为了适当地控制到燃烧系统的燃料，必须知道主要燃料控制元件、燃料气体控制阀处的燃料的物理性质。对于成分变化极小的燃料来说，假定物理性质是恒定的，且被测量的参数如压力和温度被用于适当地控制传送到燃气涡轮机的燃料。然而，在燃料成分和相应的物理性质变化显著的情况下，这一假定不再有效，且燃气涡轮机燃料控制被编程从燃料的探测点来跟踪这样的变化，直到它们进入燃料气体控制阀或燃烧器中，并调整燃料流以应对这样的变化。
采用燃料增湿的燃烧系统在正常加载/卸载过程中以及增湿塔在系统扰动(upset)或断开情况后重启的过程中会经历燃料成分变化的阶段。在正常加载和卸载的过程中，当足够的能量在底循环中是可用的并且在燃烧系统中的情况有利时，湿气被加到燃料气体中，以优化联合循环性能。向燃料加入湿气充分地改变其物理性质，结果，燃料控制必须调整燃料命令或燃料系统流量增益。
由于在气体控制阀(GCV)处测量增湿的气体的物理性质是不可行的，因此，使用流体流模型来预测GCV入口处的燃料性质。流模型跟踪系统内的水蒸气含量，并预测通过系统的增湿的气体的物理传输延迟。在燃料增湿塔出口处计算出的水蒸气摩尔分数被用于流模型中，以计算整个系统中以及最终时间上连续地在GCV的入口处的天然气/水蒸气混合物中水蒸气的量。之后，在GCV处建模的水蒸气摩尔分数在燃料增湿传递期间被用于流量增益调整计算，以再次线性化燃料命令和最大程度地降低负载瞬变量。
图2是根据本发明的一个实施例的示例性燃料系统流网络200的示意图。在该示例性实施例中，所关注的控制体积202包括第一入口流量流(inlet flow stream)204、第二入口流量流206以及供给一个或多个气体控制阀210的单出口流208。入口燃料头(header)212包括流孔道214和温度传感器216。头212通过第一分支222供给塔入口控制阀218和燃料增湿塔220，并且通过第二分支226供给塔旁路控制阀224。第一入口流量流204分别包括压力传感器228和温度传感器230。第一入口流量流204和第二入口流量流206在公共燃料头232处汇合。在该示例性实施例中，公共燃料头232以串联流关系包括压力传感器234、温度传感器236、性能加热器238、温度传感器240、清洗器242、过滤器244、压力传感器246和温度传感器248。出口燃料头250包括辅助止动阀252、安全释放阀254、压力传感器256以及一个或多个气体控制阀210。
为了精确地控制到燃烧系统的燃料传递，需要知道在主要的燃料控制元件如气体控制阀210处的燃料的物理性质。对于成分变化极小的燃料来说，燃料成分和物理性质可以假定为恒定，并且物理参数，如压力和温度可被用于控制到燃气涡轮机的燃料。在一些情况下，燃料的物理性质可能显著地变化，导致这样的假设错误或不精确。
在采用燃料增湿系统的一些燃烧系统中，在正常加载/卸载以及系统扰动或断开后的重启过程中，燃料的物理性质可能显著地变化。在正常的加载和卸载的过程中，当底循环中有足够的能量可用并且在燃烧系统中的条件有利时，湿气被加入到燃料气体中，用于提高联合循环性能。向燃料加入湿气充分地改变了其物理性质，结果，燃料控制系统需要对燃料命令或燃料系统流量增量做出相应的调整。
当在增湿塔和气体控制阀(GCV)之间不能获得物理性质测量并且连续测量也不可行时，使用物理流模型来预测GCV入口处的燃料性质。该流模型显示了水蒸气的含量和通过系统的流体的物理传输延迟。可以假定在燃料增湿塔的下游没有向流体流添加另外的天然气燃料或水。在燃料增湿塔出口处计算所得到的水蒸气摩尔分数被提供给流模型，之后，基于系统中的边界条件连续地计算在气体控制阀入口处的值。离开塔的燃料的物理性质可以被测量为加入到干燥的天然气入口燃料中的水，接下来在GCV处的物理性质可以基于但不限于以下物理量来确定：混合物温度、压力、流速度和系统中的容积。之后，在GCV处计算所得到的水蒸气摩尔分数被用于接下来的物理性质的计算，以便适当地调整流量增益，从而再次线性化燃料命令和没有调整地最大程度降低传输过程中可能出现的负载瞬态量。
控制系统采用流模型来适当地为流量增益调整计时，此流量增益调整使用气体控制阀入口处的燃料的物理性质来修正变化的物理性质会带来的预料中的变化。
在燃气涡轮机燃烧系统中保持合适的燃料控制是尤其重要的。装备有干燥的低NO_x(DLN)燃烧系统的燃气涡轮机典型地采用包括多喷嘴，预混合燃烧器的燃料传送系统。DLN燃烧器设计采用稀预混合燃烧，以便在不使用如水或蒸汽等稀释剂的情况下实现低的NO_x排放。稀预混合燃烧包括在燃烧器的火焰带的上游预混合燃料和空气以及在燃料的可燃性极限附近运转，以便保持最高火焰温度和低的NO_x的产生。为了应对稀预混合燃烧中固有的稳定性问题和跨越燃气涡轮机运行范围发生的宽的燃料-空气比范围，DLN燃烧器典型地在各个燃烧室中具有单独地或以子群方式被供给燃料的多个喷嘴。燃气涡轮机燃料系统具有分别地受控制的传送回路，以便对各室中的各组喷嘴进行供给。该控制系统在涡轮运行范围上对各个回路的燃料流(燃料分流量)进行变化，以保持火焰稳定性、低排放和可接受的燃烧器寿命。到各个喷嘴子群的燃料流量通过气体控制阀(GCV)来控制。燃料分流量用于在活动的GCV之间分配总的燃料命令(燃料冲程基准)，且得到的GCV燃料流量百分比命令被转换为阀位置，以实现喷嘴子群所需要的燃料流量。
图3是可用于本发明的一个示例性实施例的控制体积模型300的示意图。在该示例性实施例中，控制体积模型300被节点304分为相等地隔开的多个元素302。控制体积模型300用于基于软件的方法，此方法被用于数字控制系统，用来主动地在时间上离散地对控制体积的流体流量和成分进行建模。进入流模型的输入包括流体密度、成分、流率和时间步长或模型网格大小。之后，模型建立系统的一维映射，该映射在每个步长区间内更新。节点的数量需要完整地对控制体积进行建模，或模型网格大小由例如模型时间步长和最小流体流率来确定。
流体流模型可以应用于数字控制系统，其中，过程变量的实时测量是不可行的。此流体流模型之后可用于预测地控制真实的实时运行条件。例如，由于供应源、运行条件(压力、温度)的变化，功率的增大(水/蒸汽的注入)或一些其它的方式，在涡轮运行过程中，燃料成分可以变化。在这些情况下，主动地控制燃料流的策略需要最大程度地降低电网的扰动，并且在燃料成分发生的大的变化时将烟囱排放物保持在可接受的限制内。在没有修正的情况下，燃料成分和/或热值的大的变化不可避免地造成燃烧器火焰稳定性问题，如火焰损失或过高的温度，并可造成发电单元断开。本发明用于燃气涡轮机应用，用于在管道系统中瞬态地对增湿的气体燃料的成分进行建模，以实时地正确地主动修正燃料控制参数。
流模型公式
流体流模型包括部分地基于流体动力学的算法。例如，雷诺输运定理指出了控制体积中的稳流的质量守恒，从而得到了下面的公式，该公式表明进入和离开控制体积的质量流率是相等的。
∑(ρ_iA_iV_i)_out＝∑(ρ_iA_iV_i)_in                        (1)
其中，
ρ＝流体密度
A＝横截面积
V＝系统控制体积
如果流体表现为是不可压缩的流体并且几乎没有、甚至于没有显著的密度变化，则公式(1)可被进一步地简化，得到：
∑(Q_i)_out＝∑(Q_i)_in                    (2)
其中，
Q＝流体的体积流率
只要流体流量是稳定的，即∂ρ/∂t=0,]]>控制体积内的质量的增加和减少可被忽略，且如果可假定是不可压缩的，整个控制体积内的流体密度都是恒定的，则公式(1)和(2)可被用于流体流模型中，以表征任何给定的控制体积中的流体的物理成分。
节点304的个数需要能够对控制体积进行完整的建模，或者模型网格大小由例如根据下面的公式的模型时间步长和最小流体流率来确定：
#元素数＝(V_tot/Q_min*Δt)，(3)
其中，
Q_min＝流体的最小可能体积流率，[ft³/sec]
V_tot＝总的控制系统体积，[ft³]
Δt＝模型时间步长，[sec]
模型的精确性依赖于流模型网格元素的大小。在一些应用场合中，软件框架环境限制了矩阵的大小和/或要求矩阵一旦定义则保持恒定。在这些情况下，定义了边界矩阵和性质矩阵，使得它们包含由上述公式所确定的最小的元素数。
一旦确定了模型网格大小，控制体积中的流可被简化为具有恒定横截面积的一维管流。该简化允许各个离散的流体元素使用一维矩阵被建模并且在各个时间步长统一地更新。被用于在各个时间步长Δt创建和更新一维矩阵流模型的步骤包括计算线性通过距离、更新边界矩阵、变换边界矩阵和更新性质矩阵。
计算线性通过距离
给定初始为空的控制体积初始条件，边界矩阵和性质矩阵都初始化为零。对于各个模型时间步长，计算出当前系统的质量流量或体积流率，并用于使用以下公式来确定等价的通过流模型一维管道的线性距离：
dist＝(Q(dt)*Δt/A_c)                                        (4)
其中，
Q(dt)＝给定时间步长上的流体的体积流率，[ft³/sec]
A_c＝系统模型横截面积，[ft²]
Δt＝模型时间步长，[sec]
图4A是假定入口体积流量Q1的情况下在第一时间步长增量下的控制体积模型300的示意图。图4B是假定入口体积流量Q2的情况下在第二时间步长增量下的控制体积模型300的示意图。图4C是假定入口体积流量Q3的情况下在第三时间步长增量下的控制体积模型300的示意图。
更新边界矩阵
一旦计算出线性通过距离，边界矩阵中的各个边界在管道中通过给各个边界值增加线性通过距离而被更新或变换。这个过程对于每个模型时间步长重复。在时间步长期间质量或体积流率被假定为保持恒定，并且只在一个完整的时间步长之后被更新。
在图4A中，流体还没有进入管道，第一流体元素X1显示为在控制体积模型300之外。基本的流体边界定义为任何给定的流体元素X的最左边的或最后一个点。在图4B中，在Δt秒的第一时间步长增量之后，流体元素X1的边界b1等于零，并且第一性质元素X1的最右边缘显示为距离边界b1有一个距离d1。在图4C中，在第二时间步长增量结束之后，流体元素X1的边界b1通过模型前进一个给定的距离。基本的流体边界b2等于零。
变换边界矩阵
基本的流体边界定义为对于任何给定流体元素的最左边的或最后的点。这意味着在边界数组中的第一边界元素必须永远等于零。由于边界矩阵首先通过加上线性通过距离来更新，则之后边界矩阵必须下移一个元素，并对于第一个元素插入0。
相似地，流体性质矩阵通过将数组中的各个元素下移来更新。如果软件环境不允许矩阵主动地重新调节大小，则在矩阵变换的步骤期间，模型边界和性质矩阵的最后一个元素必须被丢弃。
更新性质矩阵
流模型循环的最后一个步骤是更新流体性质矩阵。流体流模型用于实时跟踪流体的物理性质。例如，在使用气体燃料增湿系统的燃气涡轮机系统中，该增湿系统向燃料加入水以增加功率。在加载循环中，系统在干燥的天然气和增湿的燃料之间转换。为了避免由于湿的燃料的低的热值所产生的涡轮功率输出的波动，使用燃料流模型来跟踪燃料和水的混合物的浓度，以预测被燃气涡轮机燃烧系统实时燃烧的燃料的浓度。在性质矩阵更新中，在控制体积入口处的当前流体性质被作为性质矩阵数组中的第一元素插入。
图5A和图5B是图示第四和第五时间步长的控制体积模型300的示意图，其图形化地进一步地说明流模型是怎样更新的。图5A是假定入口体积流量Q4的情况下在第四时间步长增量下的控制体积模型300的示意图。图5B是假定入口体积流量Q5的情况下在第五时间步长增量下的控制体积模型300的示意图。
对于各个时间步长流体流模型的输出可以用于确定在控制体积内的任何位置处的流体的物理性质。在固定的物理位置处的流体的性质可以通过根据以下公式来计算固定位置的等价的一维线性长度而确定：
dist＝(V_fixed/A_c)                                (5)
其中，
A_c＝系统模型横截面积，[ft²]
V_fixed＝固定位置之前的体积，[ft³]
一旦知道了线性距离，在那个位置处的流体性质可以通过找到大于该计算得到的线性距离的第一个边界矩阵元素而确定。如果其索引等于i，则在该给定的时间步长下在固定的位置处的流体性质等于p[i-1]。
图6是用于实施根据本发明的一个实施例的流体流模型的数据流图600。首先，模型矩阵的大小被定义为确保矩阵足够大，以适当地对系统控制体积中的所有边界元素进行建模。这通过确定进入控制体积中的最小预期的体积流量来达成，并将模型矩阵的最小的大小与模型时间步长联系起来。由上述公式3，最小的矩阵大小和模型时间步长可以被优化以适应特定的系统应用。在该示例性实施例中，该方法包括距离计算步骤602，其中，流元素所通过的距离由流体的体积流量Q、管道的横截面积A_c和模型时间步长Δt来确定。所确定的距离在步骤604被传递到边界更新步骤606。创建用于矩阵操作或软件循环的策略，以允许模型在各个时间步长增量上连续地更新。所有的离散控制系统以设定的控制扫描速率来运行代码执行。在涡轮控制器中，代码典型地在该扫描速率内以特定的顺序来从开始到结束执行。该软件环境的重复的性质可以被用于以特定的时间步长通过流模型人为地循环。如果控制系统平台可以以单扫描速率实现矩阵数学和操作，则可以利用流体流模型的相对不那么复杂的实现。
然而，如果软件平台不能够完全地以单控制器扫描来操作矩阵，则使用如本文描述的附加的循环方案来连续地更新模型矩阵数组中的元素。在一些数字控制系统中，矩阵数学限于从矩阵“取出”一个值，执行所需的数学运算，之后将值“放回”到矩阵数组中。这限制了矩阵数学的约束，并且使诸如流体流模型的基于矩阵的功能的实现变得复杂。为了成功地实现流体流模型，再次使用控制器扫描的重复的本质来循环并迭代地更新各矩阵元素。最小模型时间步长受到矩阵数组中的元素个数和控制系统扫描速率的乘积的限制。
在边界更新步骤606期间，更新一维边界矩阵608和一维距离矩阵610。在矩阵608中，b(0)表示流元素的性质，相应的D(Δt)表示此元素向下通过控制体积或管道的距离。此元素被顺序地编号，以便指示此元素正通过控制体积，例如，通过管道到燃烧器。在各个控制器扫描过程期间，从第二个流元素开始到最后一个流元素被更新，例如，与管道的末端处的流相邻的流元素。如果有n个元素，则算法在第n-1个元素处开始更新矩阵。第n个元素是正在离开控制体积的元素，因此，其对于算法来说已经不再重要。
对当前的扫描所更新的边界矩阵元素612被传递到矩阵变换步骤614，并记为B(n-1)。B(n-1)的值变换为边界矩阵608的b(n)元素的值，并且迭代地完成边界更新步骤606，直到所有的边界元素都已经被变换。各个元素的变换进行一次控制器扫描，使得包括30个元素的矩阵将需要30个控制器扫描来实施通过被建模的管道的燃料的体积模型。
流模型迭代循环的最后一个步骤是在步骤616更新流体性质矩阵618。流体流模型可用于实时地跟踪流体的物理性质。例如，在使用气体燃料增湿系统的燃气涡轮机系统中，增湿系统将水加入到天然气燃料中以增大功率。在加载循环过程期间，系统在干燥的天然气和增湿的燃料之间转换。为了避免由于湿的燃料的低热值所产生的涡轮功率输出的波动，燃料流模型被用于跟踪燃料和水的混合物的浓度，以预测被燃气涡轮机燃烧系统实时燃烧的燃料的浓度。在性质矩阵更新步骤616中，在控制体积入口处的当前流体性质被作为性质矩阵数组618中的第一元素插入。性质矩阵数组618中的最后元素在模型中被丢弃，因为其已经通过模型并不再重要。
图7是图示矩阵元素循环怎样对一个控制器扫描而更新的数据流图。在一些应用中，不能精确地假定在整个控制体积中的流体密度是恒定的。有若干方法来处理非恒定密度的流体流。首先，如果在发生密度变化的控制体积中有设定点，则多个流模型可以并行地组合在一起地使用，以更好地对整个控制体积中的密度偏差进行建模。备选地，如果密度变化不是离散的，可以基于入口和出口流体流密度来确定平均密度。如果输出和输入流体密度变化较小，则根据下列公式构造密度修正矩阵来应对这些小的变化：
                                            (6)
其中，
ρ＝流体流密度，[lbs/ft³]
Δρ＝流体流密度增量，[lbs/ft³]
[ρ]=ρinρin+Δρρin+2Δρρin+3Δρ......ρout---(7)]]>
其中，
[ρ]＝密度修正矩阵
Δρ＝流体流密度增量，[lbs/ft³]
此方案可应用于可以在单次扫描中执行矩阵数学的控制系统中，并因此不需要使用以上所描述的迭代循环。
图8是根据本发明的一个实施例的操作燃气涡轮发动机的示例性方法800的流程图。在该示例性实施例中，方法800包括通过将燃料系统控制体积模型以节点分割为相等地隔开的元素而创建流模型的步骤802，确定节点的个数以完全地对控制体积建模，或者使用模型时间步长和最小流体流率来确定模型网格大小的步骤804，以及将一维边界矩阵和一维性质矩阵初始化为零的步骤806。方法800还包括迭代地计算当前系统质量流量或体积流率并确定通过流模型一维管道的等价的线性通过距离的步骤808，通过将各边界值加上线性通过距离而更新边界矩阵的边界的步骤810，和更新边界流体性质矩阵的步骤812。方法800还包括在各个时间步长上确定流体流模型的输出、在控制体积中的任何位置处的流体的物理性质的步骤814，以及使用在流控制装置处所确定的燃料性质来控制燃气涡轮发动机的燃料流的步骤816。
本文所说的术语“处理器”是指中央处理单元、微处理器、微控制器、精简指令集电路(reduced instruction set circuits，RISC)、专用集成电路(application specific integrated circuits，ASIC)，逻辑电路以及能够执行本文所述功能的任何其它的电路或处理器。
本文说使用的术语“软件”和“固件”是可互换的，并且包括任何用于被处理器29所执行的存储在存储器中的计算机程序，存储器包括RAM存储器，ROM存储器，EPROM存储器，EEPROM存储器，以及非易失性RAM(NVRAM)存储器。以上的存储器类型仅是示例性的，因此不限制能够用于存储计算机程序的存储器类型。
基于前述说明将会懂得，以上描述的本公开的实施例可以使用计算机编程或工程技术来实现，包括计算机软件、固件、硬件或它们的组合或它们的子集合，其中，技术效果是在数字控制系统中对流体流量和控制体积中的成分在离散时间上进行主动建模，其中，流模型的输入包括流体密度、成分、流率和时间步长或模型网格大小。之后，模型创建系统的一维映射，该一维映射可以在每个时间步长区间上被更新。根据本公开所讨论的实施例，任何这样得到的具有计算机可读代码方法的程序，可以被实施为或提供在一个或多个计算机可读介质中，因此形成计算机程序产品，即制造的商品。计算机可读媒体可以是，例如但不限于，固定的(硬盘)驱动器、磁盘、光盘、磁带、如只读存储器(ROM)的半导体存储器，和/或任何传输/接收媒体，如互联网或其它的通信网络或链路(link)。包含计算机代码的制造的商品可以通过直接从一个介质执行代码、将代码从一个介质拷贝到另一个介质、或者通过网络传递代码而被得到和/或被使用。
以上所描述的方法和装置提供了一种有成本效益的和可靠的方法，用于自动地和连续地对流体流建模并将此模型应用于数字控制系统，以便在至少一些过程变量的实时测量是不可行或不可用的时候对流体流在真实的实时操作条件下进行预测地控制。结果，本文描述的方法和装置便于燃气涡轮发动机以具有成本效益的和可靠的方式运行。
以上详细地描述了用于自动地和连续地使用流模型来确定气体控制阀入口处的燃料气体的物理性质和确定气体燃料流量增益的相应的修正的示例性方法和设备。所图示的设备不限于本文所描述的特定的实施例，相反，各部件可以与本文所描述的其它部件独立地和分离地使用。各系统部件也可以与其它的系统部件联合使用。
尽管本发明已经以各种特定的实施例来进行了说明，但本领域的技术人员将会懂得本发明可以利用在所附权利要求的精神和范围内的变型来实现。