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CN101595288B - 监测内燃机过程状态的方法和系统 - Google Patents

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CN101595288B CN2007800454981A CN200780045498A CN101595288B CN 101595288 B CN101595288 B CN 101595288B CN 2007800454981 A CN2007800454981 A CN 2007800454981A CN 200780045498 A CN200780045498 A CN 200780045498A CN 101595288 B CN101595288 B CN 101595288B
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Abstract

为了监测具有燃烧室(2c)的旋转机械，例如燃气涡轮机(2)的(不可测量的)过程状态，测量进入所述燃烧室(2c)的喷射物的组分。基于所述喷射物的组分确定所述燃烧室(2c)产生的产物(m g)的组分。另外，确定由所述旋转机械产生的机械功率(Pmech)。基于所述机械功率(Pmech)、所述喷射物和所述产物的组分，以及喷射物和产物的化学计量关系确定至少一种过程状态值，例如，通过压缩机(2b)导入所述燃烧室(2c)的空气质量流量(wa)，和存在于所述燃烧室(2c)的废气的质量流量(wg)，组分(m g)和温度(T3)。因此，基于对所述喷射物的精确测量，可推导出例如燃烧过程中的空气和燃料组分，产物即废气的组分及温度，在不需要迭代和递推方法的情况下，可监测并控制涡轮入口温度(T3)。

Description

监测内燃机过程状态的方法和系统
发明领域
本发明涉及内燃机的控制和测量设备技术领域。特别地，本发明涉及旋转机械的控制和测量设备技术领域。更特别地，本发明涉及具有燃烧室的旋转机械，尤其是例如燃气涡轮机的涡轮机构的过程状态的监测方法和系统。
背景技术
内燃机，特别是旋转机械，例如燃气涡轮机的涡轮机组，或往复机械，例如柴油机，要承受相当大的载荷。由于非常高的燃烧温度，压缩比和空气流量，蠕变和疲劳会损害极端条件下的机械。由于它们的劣化，燃气涡轮机(GT)的主要部件，即进气喷嘴、压缩机、燃烧室、涡轮、空气流冷却器和出口，都不同程度地造成燃气涡轮机性能下降。每个单独部件的情况总是随着工作时间在劣化，直到通过保养至少部分地被修复。
燃气涡轮机性能诊断的目的在于精确监测，分离和评估性能变化、系统故障和测量设备存在的问题。许多其它技术，如在EP-A1233165中作为示例公开的气路分析(GPA)，其通过所测参数的信息，例如功率、发动机转速、温度、压力或顺着涡轮气路的燃料流量，完整地建立了评估性能变化的框架。这些所测参数中的可识别变化从假设参考的、名义的或初始的状态，即老化症状，为确定发动机运行的潜在变化提供了所需信息。GPA允许根据例如热效率、流体容量和入口/出口过滤器面积这样的独立参数或系统状态的退化，来鉴定发动机的性能劣化。在随后的诊断步骤中，分析这些劣化征兆，并推导出保养时间表，从而确保经济且可靠地运行，或对主要部件剩余使用寿命做出预测。影响燃气涡轮机特定部件的故障来源可以是不同性质，例如，压缩机叶片的污染、涡轮叶片的侵蚀或机械部件的腐蚀。相反地，不同的故障经常会引起类似的可观测的后果或劣化征兆。
因此，针对GT的运行，重要的是要精确地掌握主要过程状态，例如每个部件之前和之后的温度、压力或流体质量流量。特别地，涡轮入口温度要限定一个上限，因为与低温相比高温会使得涡轮叶片劣化更快从而缩短燃气涡轮机的使用寿命。另一方面，为了GT的燃料高效工作，又需要高温。因此，涡轮入口温度要严格控制。然而，很多燃气涡轮机的入口温度并没有被测量，而是根据其它可测的状态来推导，这就带来了控制变量的不确定。因此，可靠地推导涡轮入口温度的方法对于有效地操作燃气涡轮机至关重要。精确地获知那些不可测的状态使得更好地估计运行状态成为可能，并由此可更好预测保养时间。
典型地，确定未知过程状态的传统方法是利用动态或静态模型。这些模型是基于热力学和流体机械原理。基于模型的技术经常利用卡尔曼滤波技术来对未知状态进行在线判断或利用，如EP1233165公开的迭代方法(例如，牛顿-拉夫逊)。然而，这些方法会带来消极的影响，因为流过燃气涡轮机的流体很大程度上影响了不可测量的状态，例如，由于所需的汽化能量，所以环境湿度(以蒸汽的形式)冷却了涡轮入口温度。通常，这些影响通过经验的修正曲线来补偿。当GT用液体燃料(油)替代气体燃料时，为了减少NOX的排放，也利用该作用来降低燃烧室的温度。通常，燃烧不被做成模型，由此，不考虑空气组分(受环境湿度影响的)和废气组分(受燃料和空气组分影响的)以及相应的质量流量。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种改进的方法和改进的系统，用以监测内燃机，尤其是具有燃烧室的旋转机械，更特别地是例如燃气涡轮机的涡轮机组无法测量的过程状态。本发明的一个特定目的在于提供一种与传统方法相比，更精确的监测燃气涡轮机涡轮入口温度的方法和系统。本发明的另一个目的在于进一步确定无法测量的过程状态，，例如空气质量流量、废气质量流量和涡轮入口压力，它们对评价燃气涡轮机效率非常重要。
这些目的中的至少一部分可分别通过如权利要求1和7所述的监测内燃机，尤其是旋转机械的方法和系统来实现，也可利用如权利要求10所述的方法来实现。由从属权利要求可明显得到其它优选的实施方式。
按照本发明，可通过测量进入燃烧室的喷射物(educt)的组分，监测具有燃烧室的旋转机械的(不可测量的)过程状态来实现上述目的。基于喷射物的组分确定燃烧室产生的产物组分。另外，还确定了由旋转机械产生的机械功率。特别地，机械功率基于由旋转机械驱动的发电机特性和由发电机产生的可测量的功率来确定。基于机械功率，喷射物和产物的组分、喷射物和产物的化学计量比，可确定至少一个过程状态值，且该值作为实例可以显示和/或提供至控制旋转机械的控制单元。
由此，假设完全燃烧的情况下，基于喷射物，例如燃烧过程中的空气和燃料组分的精确测量可推导出产物，即废气的组分，该方法至少对于气态燃料而言是合理的。随后，在不需要迭代和递推方法的情况下，使得更加稳健和快速的执行成为可能，从而确定各种不可测量的过程状态，例如通过压缩机导入燃烧室的控制质量流量和/或排出燃烧室的废气的质量流量，组分和/或温度。特别地，除了监测不可测量的过程状态之外，举例来说，通过在工业控制系统上的执行，基于其更精确的估计来控制涡轮入口温度也是可能的。该方法和系统可应用于产生燃烧的任何旋转机械，例如，燃气涡轮机、柴油机和内燃机等。
例如，为了监测燃气涡轮机的过程状态，要确定通过压缩机引入燃烧室内的空气质量流量。基于流入燃烧室的空气质量流量和燃料质量流量，来确定离开燃烧室中的废气质量流量。基于空气质量流量和所述废气质量流量确定废气的组分。基于空气质量流量、废气质量流量、和废气组分来确定离开燃烧室内的废气的温度。离开燃烧室内的废气温度可导出由燃烧室中的废气驱动的涡轮的入口温度。
优选地，测量喷射物和产物的温度是基于它们各自的温度进行，喷射物和产物的焓是由与它们各自组分相关的焓函数来确定。在监测燃气涡轮机过程状态的示例中，测量的是进入燃烧室的空气和燃料温度，和离开涡轮的废气的温度。随后，基于它们各自的温度确定空气、燃料和废气的焓，并且基于焓获得至少一个所述过程状态值。
在一个实施例中，确定了一个与废气组分相关的转置焓函数。随后，基于空气质量流量和废气质量流量，利用转置焓函数确定离开燃烧室的废气温度。
附图说明
以下将参考附图，通过一个例子，更详细地说明本发明，其中：
图1示出了示例性的燃气涡轮机和其主要过程状态的方框图，
图2示出了示例性的燃气涡轮机热力学边界方框图，
图3示出了监测具有燃烧室的旋转机械过程状态的示例性步骤顺序，
图4描述了四种不同气体组分的混合物的焓，
图5描述了如何由焓线条来确定涡轮入口温度。
具体实施方式
图1示出了旋转机械2，特别是燃气涡轮机的基本部件，其是热力学平衡条件下由理想的体积单元连续布置组成的系统，即，压缩机入口2a(过滤器，喷嘴)，压缩机2b，燃烧室2c，涡轮2d和出口管2e，其中，压缩机2b和涡轮2d由轴2f机械地相互连接。图1也示出了一些位置，在那里测量各种独立的或系统的输出变量，即温度、压力、功率和轴转速。这些变量包括压缩机入口2a处的温度T0，以及分别用T1，p1和T2，p2表示的压缩机入口和出口的温度和压力。此外，沿着气路，涡轮入口和出口的温度和压力分别表示为T3，p3和T4，p4，这里，废气最后具有可变温度T5和压力p5(通常，p5可假设等于环境压力p0)。另外，轴转速N，机械功率Pmech和发电机功率Pgen是典型的输出变量。在图1和图2中，引入a，f，g，w分别表示空气、燃料、废气或水。因此，参考数字wa、wf、wg、ww分别表示空气质量流量、燃料质量流量、废气质量流量或水质量流量。附图标记m a，m f，m g，m w分别表示空气、燃料、废气或水的具体组分；和附图标记ha，hf，hg分别表示在空气、燃料或废气的具体温度Ti下的焓。
典型地，用于监测和/或控制有效运行的主要的不可测量过程状态包括涡轮入口温度T3，空气质量流量wa，和废气质量流量wg。通常，涡轮入口压力p3也是可确定的。另外，由于法规原因(例如，CO2排放)，废气组分会受到关注。以下将解释从可测量的状态中推导得到这些不可测量的过程状态。
图2示出了示意性的燃气涡轮机的热力学系统边界2ab、2de，边界2ab包含压缩机入口2a和压缩机2b，且边界2de包括涡轮2d和出口管2e。
通常，损失可以由足够的精度来量化，并且通过假设已知的功率项Ploss来合并和表示。例如，涡轮2d产生的机械功率Pmech可由发电机特征和可测量的发电机功率Pgen推导得出。利用图2定义的系统边界可得到如下关系：
Pmech＝wg·hg(T3)-wg·hg(T4)-Pshaft-Ploss             (1)
-Pshaft＝wa·ha(T0)-wa·ha(T2)                        (2)
Figure G2007800454981D00041
Pmech＝wg·[hg(T3)-hg(T4)]-wa[ha(T2)-ha(T0)]-Ploss    (3)
空气、燃料和废气的焓，h(·)(T(·))，可通过考虑它们具体组分m (·)并利用由NASA公开的以多项式表示主要成分焓的焓函数h(·)(T(·))推导得到。该多项式可从http://cea.grc.nasa.gov/得到，其是NASAGlenn研究中心的课题“化学平衡与应用”提供的一个工具。理想的多项式形成并下载如下：
h(·)(T(·))＝m (·) T·h(T(·))    (4)
这些焓函数是更高阶的多项式，并且仅由温度来决定。图4示出了如NASA网站所获得的那样，相对于四种明显不同的气体组分的喷射物的焓h(T)。在方程(3)中，项wg·[hg(T3)-hg(T4)]和wa是未知的，wg，T3和m g也是同样未知的。在第一步中，推导wa。参考图2，根据进入燃烧过程的焓来计算乘积wghg(T3)。因此，
wg·hg(T3)＝wa·ha(T2)+wf·hf(Tf)+wf·Δhf    (5)
当GT利用燃气工作时，在本范例中，忽略水的喷射(ww)。然而，本领域技术人员可以理解，该方程式可容易地扩展为包括水的喷射。同样，压力和流速未包含在内，但也可以包括在相应的扩展项中。项Δhf是燃料燃气的加热值(或热量比)并可根据每种燃气组分(Δh)形成的焓(根据Hess法则)来计算。因此，
Δhf＝m (·) T·Δh    (6)
涡轮之后的废气焓流量是wg·hg(T4)。因此，
wg·hg(T4)＝wg·m g T·h(T4)                      (7)
wg·hg(T4)＝(wa·m a+wf·V·m f)T·h(T4)          (8)
wg·hg(T4)＝wa·m a T·h(T4)+wf·(V·m f)T·hg(T4) (9)
由此，V是描述了每种组分化学计量关系的燃烧矩阵。例如，亚甲基和乙烯的完全燃烧通过以下矩阵计算得出：
Figure G2007800454981D00051
Figure G2007800454981D00052
向量M包括相应的摩尔质量，diag(M)是在其对角线上具有M单元的矩阵。在V中的第一行是在喷射物中O2分子的数量中减去2倍CH4分子数量，再减去2.5倍C2H6分子数量后产物中的O2分子的数量。相应地，第二行理解为在喷射物中加上1倍CH4的分子的数量，再加上2倍的C2H6分子的数量后产物中的CO2的数量。因此，方程式(3)可改写为：
Pmech+Ploss＝wf·hf(Tf)+wf·Δhf-wf(V·m f)T·hg(T4)
...+wa·ha(T0)-wa·m a T·h(T4)                    (11)
得出：
w a = P mech + P loss - w f · ( h f ( T f ) + Δ h f - ( V · m ‾ f ) T · h g ( T 4 ) ) h a ( T 0 ) - m ‾ a T · h ‾ ( T 4 ) - - - ( 12 )
右手侧的所有变量都是已知的。之后，可推导出废气流量：
wg＝wa+wf(13)
废气组分mg推导为
Figure G2007800454981D00062
因为焓函数是单调函数(且因此可逆)，涡轮入口温度T3可由方程(5)转置相应的焓函数容易地得到：
T = h g - 1 ( w a · h a ( T 2 ) + w f · h f ( T f ) + w f · Δ h f w a + w f ) - - - ( 15 )
图5中示意性地示出了倒置，其中(由于单调性)温度T3对应于特定的焓来建立。图中示出了表示常量废气组分的五条不同焓曲线(虚线)，它们中的一条在相对1000和1500K(阴影区域)的温度范围内由2阶多项式h′g近似。由于该近似看上去相当好，实际中，转置插值低阶多项式来推导T3。
例如，利用工业控制系统1来执行该方法以监测不可测量过程状态和/或控制涡轮入口温度T3。由于燃烧已经被考虑在内，因此CO2的排放可通过计算直接获得。另外，可通过扩展该方法来监督输入燃料的质量。由于法规的原因需要测量具体的废气组分，例如废气中的CO2、NOX的属性。测量和估计(基于以上的决定)都可用来提供燃烧质量、输入燃料质量和/或传感器失效的信息，从而加强燃烧系统的诊断。
例如，系统1包括传感器模块11，用以接收过程变量的测量值和/或喷射物组分；数据和用来存储测量值、计算参数以及程序化软件模块的程序储存器12；具有至少一个处理器的处理单元13；和输出模块14，用来显示过程状态和/或基于推导所得的过程状态，检验燃气涡轮机2或控制燃气涡轮机2的控制单元的控制信号。在一个实施例中，程序储存器12包括用来控制过程单元的程序化的软件模块，由此，参考图3，该方法按下述步骤执行。
在步骤S1中，进行测量并且通过传感器模块11接收各自的测量值并储存于系统1。
在步骤S2中，处理单元13利用方程(12)计算空气质量流量wa。
在步骤S3中，处理单元13分别利用方程(13)或(14)计算废气质量流量wg和废气组分m g。
在步骤S4中，处理单元13计算焓转置hg -1。
在步骤S5中，处理单元13利用方程(15)计算涡轮入口温度T3。
也如图3所示的那样，计算机的过程状态，例如，空气质量流量wa、废气质量流量wg、废气组分m g和/或涡轮入口温度T3，都被输出模型14用来进行性能评估A1，燃烧/排放控制A2，和/或涡轮控制A3。

Claims (10)

1.一种监测内燃机(2)的过程状态的方法，所述内燃机具有燃烧室(2c)，该方法包括：
测量进入所述燃烧室(2c)的喷射物组分(m a，m f)；基于所述喷射物组分(m a，m f)确定所述燃烧室(2c)产生的产物组分(m g)；
确定由所述内燃机(2)产生的机械功率(Pmech)；和
基于所述机械功率(Pmech)、所述喷射物组分(m a，m f)和所述产物组分(m g)，以及喷射物和产物的化学计量关系确定至少一种过程状态值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述至少一种过程状态值包括确定以下中的至少一种：通过压缩机(2b)导入所述燃烧室(2c)的空气质量流量(wa)，和离开所述燃烧室(2c)和/或进入涡轮(2d)的废气的废气质量流量(wg)、组分(m g)和温度(T3)。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括测量喷射物和产物的温度，并且利用与它们各自组分(m a，m f，m g)相关的焓函数确定喷射物和产物的焓(ha，hf，hg)，其中，确定喷射物和产物的所述焓(ha，hf，hg)是基于它们各自的温度，且其中，确定所述至少一种过程状态值是基于所述焓(ha，hf，hg)。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，监测过程状态包括监测燃气涡轮机的过程状态，且其中，确定所述至少一个过程状态值包括确定通过压缩机(2b)导入所述燃烧室(2c)的空气质量流量(wa)，基于流入所述燃烧室(2c)的所述空气质量流量(wa)和燃料质量流量(wf)确定离开所述燃烧室(2c)的废气的废气质量流量(wg)，基于所述空气质量流量(wa)和所述废气质量流量(wg)确定所述废气的组分(m g)，以及基于所述空气质量流量(wa)、所述废气质量流量(wg)和所述废气的组分(g)来确定离开所述燃烧室(2c)的所述废气的温度(T3)，离开所述燃烧室(2c)的所述废气的温度(T3)代表由离开所述燃烧室(2c)的所述废气驱动的所述涡轮的入口温度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，确定所述废气的温度(T3)包括确定与所述废气的组分(m g)相关的转置焓函数，且利用所述转置焓函数并基于所述空气质量流量(wa)和所述废气质量流量(wg)来确定离开所述燃烧室(2c)的所述废气的温度(T3)。
6.根据权利要求4所述的方法，还包括测量进入所述燃烧室(2c)的空气和燃料的温度(T2，Tf)，测量离开所述涡轮的所述废气的温度(T4)，和基于空气、燃料和废气各自的温度确定它们的焓(ha，hf，hg)，且其中，基于所述焓(ha，hf，hg)来确定所述至少一个过程状态值。
7.一种监测内燃机(2)的过程状态的系统(1)，所述内燃机具有燃烧室(2c)，所述系统(1)包括：
传感器(11)，其测量进入所述燃烧室(2c)的喷射物组分(m a，m f)；处理单元(13)，其基于所述喷射物组分(m a，m f)计算出由燃烧室(2c)产生的产物组分(m g)，
计算出由所述内燃机(2)产生的机械功率(Pmech)的装置；以及
基于所述机械功率(Pmech)、所述喷射物组分(m a，m f)和所述产物组分(m g)以及喷射物和产物的化学计量关系来确定至少一种过程状态值的装置。
8.根据权利要求7所述的系统(1)，其中，所述内燃机(2)是燃气涡轮机，其中，所述过程状态包括以下中的至少一种：通过压缩机(2b)导入所述燃烧室(2c)的空气质量流量(wa)，和离开所述燃烧室(2c)的废气的废气质量流量(wg)、组分(m g)和温度(T3)，其中用于确定所述至少一种过程状态值的装置还构造成以便确定通过压缩机(2b)导入所述燃烧室(2c)的空气质量流量(wa)，基于流入所述燃烧室(2c)的所述空气质量流量(wa)和燃料质量流量(wf)确定离开所述燃烧室(2c)的废气的废气质量流量(wg)，基于所述空气质量流量(wa)和所述废气质量流量(wg)确定所述废气的组分(m g)，以及基于所述空气质量流量(wa)、所述废气质量流量(wg)和所述废气的组分(m g)来确定离开所述燃烧室(2c)的所述废气的温度(T3)，离开所述燃烧室(2c)的所述废气的温度(T3)代表由离开所述燃烧室(2c)的所述废气驱动的所述涡轮的入口温度。
9.根据权利要求8所述的系统(1)，还包括测量进入所述燃烧室(2c)的空气和燃料的温度(T2，Tf)的装置，测量离开所述涡轮的废气的温度(T4)的装置，和基于空气、燃料和废气各自的温度确定它们的焓(ha，hf，hg)的装置，其中，用来确定所述至少一种过程状态值的装置构造成基于所述焓(ha，hf，hg)来确定所述至少一种过程状态值。
10.采用权利要求1-6中的任一项所述的监测过程状态的方法来诊断内燃机系统的方法，包括：
通过传感器测量进入燃烧室(2c)的喷射物组分(m a，m f)，
基于所述喷射物组分(m a，m f)确定由所述燃烧室(2c)产生的产物组分(m g)，
通过传感器测量特定废气组分的特性，
根据所述已确定的组分和所述测量的特性推导出燃烧质量或燃料输入质量的信息，或传感器失效信息。
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