专利名称：用于起动涡轮机的方法
技术领域：
本申请涉及2008年12月10日提交的共同转让的美国专利申请12/331824[GE档 案号 230465-2]。本发明大体涉及涡轮机的运行，并且更具体而言，涉及减少涡轮机的起动时间的方法。
背景技术：
“快速起动”可认为是这样一种运行模式这种运行模式要求涡轮机在操作员 启动涡轮机的起动之后的某个时间内输出负载，其能够进行遵守排放规定(emission complaint)的运行。波动的能量需求是确定涡轮机在何时运行的主要因素。涡轮机通常 是空闲的，直到足够的需求要求运行为止。当需求要求运行时，涡轮机在输出所需能量(电 力、机械扭矩、蒸汽等)之前执行起动过程。峰值或简单循环设备可执行快速起动，然后在较长的时段上由高效的发生模式代 替。此外，本申请的受让人通用电气公司具有联合循环(CC)动力设备(CCPP)的资产，例 如但不限于在名称为“Method andApparatus for Starting Up Combined Cycle Power SyStemS(用于起动联合循环动力系统的方法和设备)，，的US27113562A1中公开的那些。 另外，名称为“Damper (阻尼器)”的US04207864、名称为“MartupAttemperator (起动调 温器)”的 US04208882、名称为 “Apparatus andMethod for Controlling Steam Turbine Operating Conditions DuringStarting and Loading(用于在起动和加载期间控制蒸汽轮 机运行状态的设备和方法)”的US04598551。此外，名称为“Meam Turbine SplitForward Flow(蒸汽轮机分流前向流)”的US05361585、名称为“Methodof Effecting Start-up of a Cold Steam Turbine System in a CombinedCycle Plant (实现联合循环设备中的冷式蒸 汽轮机系统的起动的方法)”的US0M12936、名称为“System for Controlling Clearance BetweenBlade Tips and a Surrounding Casing in Rotating Machinery (用于控制方宠转 机器中的叶尖和周围的壳体之间的间隙的系统)”的US06626635。对这些共同转让的专利 和专利申请的引用可提供对快速起动技术和本文的主题的范围的进一步的理解。一些已知的涡轮机的起动过程典型地包括以不同的运行速度进行的多种模式。这 些模式包括但不限于吹扫、点火、加热，以及主运行速度的加速。这个起动过程需求从吹扫 速度到点火速度的下降(coast down)时段。此下降时段典型地需要几分钟来完成。快速 起动技术要求涡轮机迅速起动和产生功率。因此，需要一种起动燃气轮机的改进的方法。该方法应当减少起动时间。此方法 还应当减少或消除与下降和加热时段相关联的时间。此方法还应当减少使涡轮机加速到主 运行速度(例如但不限于全速无负载(FSNL))的时间。
发明内容
在本发明的一个实施例中，(提供了)一种起动涡轮机的方法，该方法包括提供包括压缩机区段、燃料系统和燃烧系统的涡轮机；选择涡轮机的吹扫速度；以及使涡轮机
加速到吹扫速度；其中，选择吹扫速度的步骤允许减少涡轮机的起动时间。 本发明的一个备选实施例提供了一种起动涡轮机的方法，该方法包括提供包括
压缩机区段、燃料系统和燃烧系统的涡轮机；选择涡轮机的吹扫速度；使涡轮机加速到吹
扫速度；确定吹扫循环是否完成；以及选择涡轮机的加速过程的加速速率；其中，选择吹扫
速度的步骤允许减少涡轮机的起动时间，从而提高涡轮机满足快速起动运行的要求的可能性。
图1是示出了起动涡轮机的已知方法在其中运行的环境的示意图。
图2是示出了本发明的一个实施例可在其中运行的环境的示意图。
图3是示出了根据本发明的一个实施例的、用来起动涡轮机的控制系统的算法的方框图。
图4A和4B (统称为图4)是示出了根据本发明的一个实施例的起动涡轮机的方法的流程匿U
100涡轮机
110压缩机区段
115入口导叶(IGV)
120燃烧系统
125燃料供应系统
127燃料回路
130涡轮区段
150涡轮控制系统
155涡轮控制系统
160运行数据
300方框图
310燃料/空气比方框
315燃料/空气比输出
320燃料命令方框
325燃料命令输出
330空气命令方框
335空气命令输出
400方法
具体实施例方式
如所论述的那样，“快速起动”可认为是动力设备机器的运行模式。此模式一般要 求动力设备机器在启动该动力设备机器的起动之后的某个时间内输出负载，同时以遵守排 放规定的方式运行。如本文所用，用语快速起动意图包括在本发明的范围内的所有这样的 模式及其等效物。
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本发明具有减少与起动涡轮机相关联的起动时间的技术效果。本发明的一个实施 例提供了一种起动涡轮机(诸如但不限于设置成在快速起动模式中运行的燃气轮机)的方 法。燃气轮机可包括但不限于重型燃气轮机、航改燃气轮机等。本发明的方法的一个实施 例提供了用于起动涡轮机的新原理。虽然关于燃气轮机来描述本发明的实施例，但是本发 明的应用不限于燃气轮机。本发明的实施例可应用于本文未描述的、可燃烧吸入空气与至 少一种燃料的其它工业机器。在本文中公开了详细的示例性实施例。但是，本文公开的具体的结构和功能细节 为了描述示例性实施例而仅是代表性的。但是，示例性实施例可实施为许多备选形式，并且 不应理解为仅限于本文阐述的实施例。因此，虽然示例性实施例能够有许多修改和备选形式，但是在图中是以实例的方 式来说明其实施例的，并且本文会对其进行详细描述。但是，应当理解，不意图将示例性实 施例限于所公开的具体形式，而是相反，示例性实施例将覆盖落在示例性实施例的范围内 的所有修改、等效物和备选方案。将理解，虽然用语第一、第二等可在本文中用来描述各种元件，但是，这些元件不 应受这些用语的限制。这些用语仅用来使元件彼此区分开。例如第一元件可称为第二元件， 类似地，第二元件可称为第一元件，而不偏离示例性实施例的范围。如本文所用，用语“和/ 或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和全部组合。本文使用的术语仅是出于描述具体实施例的目的，并且不意在限制示例性实施 例。如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“所述”意在还包括复数形式，除非上下文明 确作出其它表示。将进一步理解，在本文中使用时，用语“包括”、“包括有”、“包含”和/或 “包含有”规定了所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但是不排除存在 或附加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、构件和/或它们的组。还应当注意到，在一些备选实现中，所提到的功能/动作可不按图中提到的顺序 出现。例如，取决于所涉及的功能/操作，两幅连续的图可基本同时执行，或者有时可按相 反的顺序执行。现在参照附图，其中，各标号贯穿若干幅图表示相似的部件。图1是示出了起动涡 轮机的已知方法在其内运行的环境的示意图。在图1中，燃气轮机形式的涡轮机100包括 压缩机区段Iio ；燃烧系统120 ；燃料供应系统125 ；涡轮区段130 ；以及涡轮控制系统150。 燃烧系统120可接收来自燃料系统125的燃料回路127的燃料。燃料系统125的实施例可 包括多个燃料回路127。这里，多个燃料回路可包括下者中的至少一个气体燃料回路；液 体燃料回路；或IGCC回路，其构造成以便输送混合的或合成的气体燃料。本发明的实施例 可应用于具有包括单个或多个燃料回路127的燃料系统125的燃气轮机100。大体上，压缩机区段110包括多个入口导叶(IGV) 115和结构设置成以便压缩吸入 空气(由图1中的大箭头所示)的多个旋转的叶片和固定的导叶。在燃烧系统120内，压 缩空气和燃料被混合、点燃，并且产生工作流体。工作流体大体上从燃烧系统120向下游前进到涡轮区段130。涡轮区段130包括 将工作流体转换成可用来驱动负载的机械扭矩的多个旋转的构件和固定的构件(它们均 未显不)ο在运行方面，起动燃气轮机100的已知方法执行以下步骤。控制系统150使燃气
5轮机100加速到预定义的吹扫速度。然后，控制系统保持该吹扫速度，直到预定义的时标完 成为止。这个时标的长度是之前就确定好的、工厂设定的等等。这个时标起作用来确保足 够的空气流通过排气系统(未示出)，在这之后，吹扫过程完成。在吹扫完成之后，控制系统150使燃气轮机100减速到预定义的点火速度。在此 点火速度处，燃烧系统120的阀位置被调节到预定义位置，以在开环燃料流原理的控制下 进行燃料流的点火。在点火和预定义的加热时标终止之后，控制系统150使用开环燃料和 空气计划来使燃气轮机100加速到主运行速度，例如但不限于FSNL。这些计划是固定的，并 且典型地不会考虑燃气轮机100性能或入口条件的变化，从而导致起动时间的大的差异。如将理解的那样，本发明可实施为方法，系统或计算机程序产品。因此，本发明可 采取完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)或者结合了软件 和硬件方面的实施例(全部在本文中一般地称为“电路”、“模块”或“系统”)的形式。另 外，本发明可采取计算机可用的存储介质上的计算机程序产品的形式，其具有实施在该介 质中的计算机可用的程序代码。如本文所用，用语“软件”和“固件”是可互换的，并且包 括存储在存储器(包括RAM存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器和非易失性 RAM(NVRAM)存储器)中以由处理器执行的任何计算机程序。以上存储器类型仅是示例性 的，并且因此不对可用来存储计算机程序的存储器的类型进行限制。可使用任何适当的计算机可读介质。计算机可用或计算机可读介质可为例如但不 限于电子、磁、光学、电磁、红外或半导体系统、设备、装置或传播介质。计算机可读介质的更 具体的实例(非穷尽性列举)可包括以下具有一条或者多条线的电连接、便携式计算机 磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦可编程只读存储器(EPR0M或 闪存)、光纤、便携式紧致盘只读存储器(CD-ROM)、光学存储装置、诸如支持互联网或内联 网的那些的传输介质，或者磁存储装置。注意，计算机可用或计算机可读介质甚至可为程序 打印在其上的纸张或另一种适当的介质，因为可通过例如纸张或其它介质的光学扫描来以 电子的方式捕捉该程序，然后对该程序进行编译、解析，或者另外以适当的方式处理该程序 (如有必要)，且然后将该程序存储在计算机存储器中。在本文档的上下文中，计算机可用 或计算机可读介质可为可包含、存储、通讯、传播或传输程序以由指令执行系统、设备或装 置使用或与它们结合起来使用的任何介质。如本文所用，用语处理器指的是中央处理单元、微处理器、微控制器、精简指令集 电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、逻辑电路，以及能够执行本文描述的功能的任何其它 电路或处理器。可用面向对象的编程语言(例如JaVa7、Smalltalk或C++等)来编写用于执行本 发明的操作的计算机程序代码。但是，也可用传统的过程编程语言(例如“C”编程语言或 类似的语言)来编写用于执行本发明的操作的计算机程序代码。程序代码可完全在用户的 计算机上执行、作为单独的软件包部分地在用户的计算机上执行，部分地在用户的计算机 上且部分地在远程计算机上执行或者完全在远程计算机上执行。在后一种情形中，远程计 算机可通过局域网(LAN)或广域网(WAN)连接到用户的计算机上，或者可在计算机的外部 进行连接(例如使用互联网服务提供商而通过互联网)。以下参照根据本发明的实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图 说明和/或方框图来对本发明进行描述。将理解，流程图说明和/或方框图的各个方框以及流程图说明和/或方框图中的方框的组合可由计算机程序指令实现。可将这些计算机程 序指令提供给公用计算机、专用计算机或其它可编程的数据处理设备的处理器，以产生机 器，从而使得通过计算机或其它可编程的数据处理设备的处理器来执行的指令产生了用于 实现流程图和/或方框图方框或不止一个方框中指定的功能/行为的方式。这些计算机程序指令还可存储在计算机可读存储器中。这些指令可引导计算机或 其它可编程的数据处理设备以特定的方式起作用，从而使得存储在计算机可读存储器中的 指令产生了这样的制造物该制造物包括实现流程图和/或方框图方框或不止一个方框中 指定的功能/行为的指令方式。计算机程序指令还可加载到计算机或其它可编程的数据处 理设备上。这些指令可促使在计算机或其它可编程的设备上执行一系列的操作步骤，以产 生计算机实现的过程。因此，在计算机或其它可编程的设备上执行的指令提供用于实现流 程图和/或方框图方框中指定的功能/行为的步骤。本发明的实施例采用闭环控制原理，该原理在整个起动过程中主动确定燃气轮机 100的空气燃料比。此闭环控制原理可提供以下好处。在燃气轮机100以吹扫速度运行的 同时执行点火过程；消除了前述下降时段。减少或消除了加热时标。使燃气轮机100的加 速速率增大，直到主运行速度。这些好处可减少燃气轮机100的总体起动时间。此外，通过 在起动过程期间主动地控制空气燃料比，燃气轮机100可按几乎最佳的和可重复的计划来 运行。这些好处可减少热瞬变，可能会延长部件寿命；减少起动时间的变化，并且可能增加 燃烧器余量。再次参照附图，图2是示出了本发明的一个实施例可在其内运行的环境的示意 图。关于图1所论述的燃气轮机100的构件中的大部分在图2中都是相同的。图2的论述 集中在应用于燃气轮机100的本发明的一个实施例上。本发明的一个实施例可提供修正的 控制系统155。控制系统155可配置有将本发明的一个实施例应用于燃气轮机100的算法。此算 法可实时地确定空气燃料比。这里，控制系统155可接收对应于压缩机110所吸入的空气和 燃料供应系统125所输送的燃料的运行数据160。此运行数据160还可对应于压缩机110 和燃料供应系统125的运行特性。在接收运行数据之后，控制系统可确定起动过程的点火模式和加速模式的空气燃 料比。接下来，控制系统155可调节IGVl 15和/或燃料系统125的阀，从而分配实现或保 持特定的起动模式的最佳空气燃料比所需的空气和/或燃料。图3和4对此过程进行了更 详细的论述。图3是示出了根据本发明的一个实施例的、用来起动燃气轮机100的控制系统 155的算法的方框图300。在本发明的一个实施例中，三个主要算法310、320、330可实时地 确定在起动过程的各种模式处的空气燃料比。接下来，算法310、320、330可确定待发送到 IGV115和燃料系统125的控制器的所需燃料和空气命令，从而允许优化空气燃料比。方框310示出了可确定空气燃料比的算法。如所论述的那样，此算法可接收与下 者有关的运行数据160 压缩机110所吸入的空气的物理性质、压缩机110的物理特性、燃 料的物理性质和燃料供应系统125的物理特性，以及燃气轮机100的当前运行参数。空气的 物理性质可包括但不限于温度、压力、湿度和其它环境条件。压缩机110的物理特性可提 供关于压缩机的清洁性和结垢的数据。这些物理特性可包括但不限于流率、压力、压差等。燃料的物理性质可包括但不限于燃料的热值、比重、温度、沃泊(Wobbie)指数等。燃料供应 系统125的物理特性可与燃料供应系统160的构件的精度有关。此数据可包括但不限于阀 基准和反馈压力、流率等之间的差异。燃气轮机100的当前运行参数可包括但不限于涡轮 机的速度和加速度。在接收数据160之后，方框310的算法可采用查询表、基于物理的模型 等来确定空气燃料比，如箭头315所示。燃料命令方框320起作用来确定针对燃料供应系统125的阀的燃料命令325。方 框320可使算法与查询表、基于物理的模型等结合起来，以在接收空气燃料比315的数据之 后确定位置命令325。空气命令方框330起作用来确定针对IGVl 15的阀的空气命令335。方框320可使 算法与查询表、基于物理的模型等结合起来，以在接收空气燃料比315的数据之后确定位 置命令3邪。图4A、4B(统称为图4)是示出了根据本发明的一个实施例的起动涡轮机的方法 400的流程图。在本发明的一个实施例中，可提供图形用户界面(GUI)，允许操作员操纵经 过方法400所执行的步骤。在方法400的步骤405中，可起动涡轮机。这里，涡轮机的操作员可能已接收了关 于功率的请求。在步骤410中，方法400可通过⑶I来提示操作员选择吹扫速度。本发明的一个 实施例可计算以给定的吹扫速度完成吹扫循环所需的时间。这里，方法400可基于下者来 计算所需的吹扫时间期望的吹扫速度，当前环境条件以及排气系统的大小。如所论述的那 样，选择更高的吹扫速度可大大减少涡轮机的起动时间。在步骤415中，方法400可使涡轮机加速到步骤410中选定的吹扫速度，从而起动 吹扫循环。在本发明的一个实施例中，方法400可与用来起动涡轮机的起动系统结合。这 里，起动系统直接或间接地使涡轮机加速到选定的吹扫速度。在步骤420中，方法400可确定吹扫循环是否完成。如所论述的那样，方法400可 计算吹扫循环的时间。在计算了这个时间之后，方法400可确定是否已经经过足够的时间 来完成吹扫循环。如果吹扫循环完成，则方法400可前进到步骤425，否则方法400可回到 步骤415。在步骤425中，方法400可确定点火过程的空气燃料比。如所描述的那样，本发明 的实施例可使用算法来计算点火过程所需的空气燃料比。例如但非限制，算法可执行以下 步骤。接收关于压缩机区段所吸入的空气的物理性质的数据。接收关于压缩机区段的物理 条件的数据。接收关于被燃料系统输送到燃烧系统的燃料的物理性质的数据。接收关于燃 料系统的条件的数据。然后，该算法确定点火过程的空气燃料比。方法400的实施例可计 算以选定的吹扫速度点火所需的空气燃料比。方法400可补偿当前环境条件和设备条件； 并且可允许以任何速度进行点火过程。在步骤430中，方法400可完成点火过程。这里，例如但非限制，⑶I可提供燃烧 系统在燃气轮机中的各个燃烧罐中具有火焰的指示。如所论述的那样，本发明的实施例可 不需要加热循环。这可减少涡轮机的总体起动时间。在步骤440中，方法400可确定加速模式的空气燃料比。如所描述的那样，本发明 的实施例可使用算法来计算加速模式所需的空气燃料比。例如但非限制，该算法可执行以下步骤。接收关于压缩机区段所吸入的空气的物理性质的数据。接收关于压缩机区段的物 理条件的数据。接收关于被燃料系统输送到燃烧系统的燃料的物理性质的数据。接收关于 燃料系统的条件的数据。然后，该算法确定加速模式所需的空气燃料比。在步骤445中，方法400可使用前述算法来不断地确定当涡轮机加速时所需的空 气燃料比。这里，方法400结合闭环控制原理来动态地补偿环境条件、入口条件等的变化 (如之前所论述的那样)。在步骤450中，方法400可继续主动地确定需要的空气燃料比，直到涡轮机达到主 运行速度-例如但不限于FSNL-为止。对于步骤445中，方法400结合闭环控制原理来动 态地补偿环境条件、入口条件等的变化(如之前所论述的那样)。如所论述的那样，本发明的实施例可显著减少起动涡轮机所需的时间。本发明的 实施例可显著地减少起动时间，因为吹扫、点火和加速由于实时计算涡轮系统空气燃料比 的原因而全部可以以更高的速度实现。如本领域普通技术人员将理解的那样，可进一步选择性地应用以上关于若干个示 例性实施例所描述的许多不同的特征和构造来形成本发明的其它可行的实施例。本领域技 术人员将进一步理解，没有详细提供或论述本发明的所有可行的反复，但是由所附的若干 个权利要求或者以其它方式包含的所有组合和可行的实施例均意在成为本申请的一部分。 另外，根据本发明的若干个示例性实施例的以上描述，本领域技术人员将想到改进、变化和 修改。在本领域技术中的这种改进、变化和修改也意在由所附的权利要求书覆盖。另外，应 当显而易见的是，前述内容仅与本申请的所描述的实施例有关，而且可在本文中作出许多 改变和修改，而不偏离由所附的权利要求书及其等效物限定的本申请的精神和范围。
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权利要求
1.一种起动涡轮机(100)的方法000)，所述方法(400)包括提供包括压缩机区段(110)、燃料系统(125)和燃烧系统(120)的涡轮机(100)；选择用于所述涡轮机(100)的吹扫速度010)；以及使所述涡轮机(100)加速到所述吹扫速度G15)；其中，选择所述吹扫速度的步骤(410)允许减少所述涡轮机(100)的起动时间。
2.根据权利要求1所述的方法G00)，其特征在于，所述方法(400)进一步包括确定吹 扫循环是否完成的步骤G20)。
3.根据权利要求2所述的方法000)，其特征在于，所述方法(400)进一步包括确定用 于所述燃烧系统(120)的点火过程的空气燃料比的步骤025)。
4.根据权利要求3所述的方法000)，其特征在于，确定所述点火过程的空气燃料比的 步骤(42 包括以下步骤接收关于所述压缩机区段(110)所吸入的空气的环境条件的数据；接收关于所述压缩机区段(110)的物理条件的数据；接收关于被所述燃料系统(125)输送到所述燃烧系统的至少一种燃料的物理性质的 数据；接收关于所述燃料系统(125)的条件的数据；以及确定用于所述燃烧系统的点火过程的空气燃料比(425)。
5.根据权利要求4所述的方法000)，其特征在于，所述方法(400)进一步包括控制所 述燃料系统(125)的燃料流以实现用于所述点火过程的空气燃料比的步骤。
6.根据权利要求5所述的方法000)，其特征在于，所述方法(400)进一步包括确定所 述点火过程是否完成的步骤G30)。
7.根据权利要求2所述的方法000)，其特征在于，所述方法(400)进一步包括选择用 于所述涡轮机(100)的加速过程的加速速率的步骤(435)。
8.根据权利要求7所述的方法000)，其特征在于，所述方法(400)进一步包括确定用 于所述涡轮机(100)的所述加速速率的空气燃料比的步骤040)。
9.根据权利要求8所述的方法000)，其特征在于，确定用于所述涡轮机(100)的加速 过程的空气燃料比的步骤(440)包括以下步骤接收关于所述压缩机区段(110)所吸入的空气的环境条件的数据；接收关于所述压缩机区段(110)的物理条件的数据；接收关于被所述燃料系统(125)输送到所述燃烧系统(120)的至少一种燃料的物理性 质的数据；接收关于所述燃料系统(125)的条件的数据；以及确定用于所述涡轮机(100)的加速过程的空气燃料比。
10.根据权利要求9所述的方法000)，其特征在于，所述方法(400)进一步包括控制 所述燃料系统(125)的燃料流来实现用于所述加速过程的空气燃料比以保持所述加速速 率的步骤。
全文摘要
本发明涉及用于起动涡轮机的方法。本发明的实施例采用了一种闭环控制原理(400)，其在整个起动过程中主动确定涡轮机(100)的空气燃料比。此闭环控制原理(400)提供了许多好处。此原理(400)在涡轮机(100)以吹扫速度运行时执行点火过程，并且消除了相关联的下降时段。减少或消除了加热时标。该原理(400)还可提高涡轮机(100)的加速速率，直到主运行速度。这些好处可减少涡轮机(100)的总体起动时间。另外，通过在起动过程期间主动控制空气燃料比，涡轮机(100)可按几乎最佳且可重复的计划运行。这些好处可减少热瞬变，从而可能会延长部件寿命；减少起动时间的差异，并且可能增加燃烧器余量。
文档编号F02C9/48GK102108902SQ20101061999
公开日2011年6月29日 申请日期2010年12月23日 优先权日2009年12月23日
发明者J·R·劳, M·B·格兰特 申请人:通用电气公司