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【发明授权】用校准的性能模型控制机械_通用电气公司_201710290321.3 

申请/专利权人:通用电气公司

申请日:2017-04-27

公开(公告)日:2021-04-09

公开(公告)号:CN107315403B

主分类号:G05B23/02(20060101)

分类号:G05B23/02(20060101)

优先权:["20160427 US 15/139481"]

专利状态码:有效-授权

法律状态:2021.04.09#授权;2019.03.29#实质审查的生效;2017.11.03#公开

摘要:本公开的实施例包括用于控制机器的方法、系统和程序产品。根据本公开的方法可以包括:使用所述机器的性能模型计算对应于所述机器的操作期间的输入状况的集合和输出状况的集合中的一个的所述机器的级间状况的集合,其中所述机器包括在其中具有流体路径的涡轮机部件,所述流体路径穿过多个涡轮机级和多个级间位置;基于所述机器的性能模型中的预测值与所述输入状况的集合和所述输出状况的集合中的一个之间的差异校准所述机器的性能模型;以及基于校准的性能模型和计算的所述机器的级间状况的集合调节所述机器的操作参数。

主权项:1.一种用于控制机器的方法,所述方法包括:使用所述机器的性能模型计算对应于所述机器的操作期间的输入状况的集合和输出状况的集合中的一个的所述机器的级间状况的集合,其中所述机器包括在其中具有流体路径的涡轮机部件,所述流体路径穿过多个涡轮机级和多个级间位置,并且其中所述输入状况的集合、所述输出状况的集合和所述级间状况的集合的每一个包括温度、压力和流率中的一个;基于所述机器的性能模型中的预测值与所述输入状况的集合和所述输出状况的集合中的一个之间的差异校准所述机器的性能模型;以及基于校准的性能模型和计算的所述机器的级间状况的集合调节所述机器的操作参数。

全文数据:用校准的性能模型控制机械技术领域[0001]本公开一般涉及用于机械设备的控制系统和方法,并且更具体地,包括基于机器的各种状况和输出生成性能模型以主动地控制机器的操作。背景技术[0002]基于燃烧的动力源例如燃气涡轮机组件可以通过燃烧与压缩空气混合的燃料源来生成机械能。这些燃烧反应产生用于驱动附连到基于燃烧的动力源例如,通过可旋转轴)的负载部件的机械动力。基于燃烧的动力源和类似的发电装置的有效性可以取决于其实现方式、环境和或其它因素,例如制造质量和操作状态例如,瞬态或稳态)。大量的用户驱动和环境因素可以影响机器的性能,包括能量输出的程度,机器及其部件的效率,以及部件和或系统寿命的估计。[0003]传统的控制系统可以使用预先建模的和估计的质量来计算预定时段和若干位置上的有限数量的机器的物理性质。尽管建模技术随着时间的推移和计算机系统的进步而改进,但是机器的模型与其实际性能之间的微小差异甚至会转化为成本节省、产生的能量的量、未满足或超过需求、制造和安装成本等的显著经济损失。当能量需求随季节、时间、地点等变化时,经济效益的潜力可能更加显著。发明内容[0004]本公开的第一方面提供了一种用于控制机器的方法,方法包括:使用机器的性能模型计算对应于机器的操作期间的输入状况的集合和输出状况的集合中的一个的机器的级间状况的集合,其中机器包括在其中具有流体路径的涡轮机部件,流体路径穿过多个涡轮机级和多个级间位置,并且其中输入状况的集合、输出状况的集合和级间状况的集合的每一个包括温度、压力和流率中的一个;基于机器的性能模型中的预测值与输入状况的集合和输出状况的集合中的一个之间的差异校准机器的性能模型;以及基于校准的性能模型和计算的机器的级间状况的集合调节机器的操作参数。[0005]根据本发明的一个实施例,机器的性能模型包括机器的涡轮机部件内的热应力和热膨胀的阈值。[0006]根据本发明的一个实施例,校准性能模型包括调节热应力和热膨胀的阈值。[0007]根据本发明的一个实施例,调节机器的操作参数包括响应热应力和热膨胀超过阈值而减小入口内的流率。[0008]根据本发明的一个实施例,流体路径的性能模型包括机器的涡轮机部件中的多个涡轮机级的每一个的启动速率。[0009]根据本发明的一个实施例,调节操作参数包括调节涡轮机部件的控制阀的位置。[0010]根据本发明的一个实施例,该方法还包括用校准的性能模型重复计算、校准和调节。[0011]根据本发明的一个实施例,性能模型对应于与正被控制的机器不同的机器。[0012]本公开的第二方面提供了一种用于控制机器的系统,系统包括:与机器的监视系统通信的系统控制器,系统控制器可操作以:使用机器的性能模型计算对应于机器的操作期间的输入状况的集合和输出状况的集合的机器的级间状况的集合,其中机器包括在其中具有流体路径的涡轮机部件,流体路径穿过多个涡轮机级和多个级间位置,其中输入状况的集合、输出状况的集合和级间状况的集合的每一个包括温度、压力和流率中的一个,并且基于机器的性能模型中的预测值与输入状况的集合和输出状况的集合中的一个之间的差异校准机器的性能模型;以及可操作地联接到系统控制器和涡轮机部件的入口的控制阀,控制阀可操作以基于校准的性能模型和计算的机器的级间状况的集合调节机器的操作参数。[0013]根据本发明的一个实施例,机器的性能模型包括机器的涡轮机部件内的热应力和热膨胀的阈值。[0014]根据本发明的一个实施例,系统控制器还可操作以基于机器的性能模型中的预测值与输入状况的集合和输出状况的集合中的一个之间的差异调节热应力和热膨胀的阈值。[0015]根据本发明的一个实施例,系统响应多个级间位置中所选择的一个的内部状况超过阈值而调节控制阀以修改涡轮机部件的入口中的流率。[0016]根据本发明的一个实施例,流体路径的性能模型包括机器的涡轮机部件中的多个涡轮机级的每一个的启动速率。[0017]根据本发明的一个实施例,系统控制器还配置成响应控制阀的调节,用校准的性能模型进行计算、校准和调节。[0018]根据本发明的一个实施例,系统控制器与不同机器的控制器通信,并且其中性能模型基于使用不同机器的操作被预先配置[0019]本发明的第三方面提供了一种存储在计算机可读存储介质上用于控制机器的程序产品,计算机可读存储介质包括程序代码,程序代码用于使计算机系统:使用机器的性能模型计算对应于机器的操作期间的输入状况的集合和输出状况的集合的机器的级间状况的集合,其中机器包括在其中具有流体路径的涡轮机部件,流体路径穿过多个涡轮机级和多个级间位置,其中输入状况的集合、输出状况的集合和级间状况的集合的每一个包括温度、压力和流率中的一个;基于机器的性能模型中的预测值与输入状况的集合和输出状况的集合中的一个之间的差异校准机器的性能模型;以及基于校准的性能模型和计算的机器的级间状况的集合调节机器的操作参数。[0020]根据本发明的一个实施例,机器的操作参数包括入口内的流率。[0021]根据本发明的一个实施例,其还包括用于使计算机系统用校准的性能模型重复计算、校准和调节的程序代码。[0022]根据本发明的一个实施例,机器的性能模型包括机器的涡轮机部件内的热应力和热膨胀的阈值。[0023]根据木发明的一个实施例,其还包括用于使计算机系统基于校准的性能模型调节调节热应力和热膨胀的阈值的程序代码。附图说明[0024]从结合描绘各种实施例的附图进行的系统的各个方面的以下详细描述将更容易理解公开的系统的这些和其它特征,其中:[0025]图1是常规涡轮机械系统的示意图。[0026]图2是根据本公开的实施例的具有用于控制机器的系统的涡轮机部件的示意图。[0027]图3示出了根据本公开的实施例的可操作以控制机器的示例性计算机环境。[0028]图4提供了根据本公开的实施例的用于控制机器的方法的示例性流程图。[0029]图5提供了根据本公开的实施例的用于控制机器的替代方法的示例性流程图。[0030]应当注意附图不一定按比例绘制。附图旨在仅描绘本公开的典型方面,并且因此不应当被视为限制其范围。在附图中,相似的附图标记表示附图之间相似的元件。具体实施方式[0031]在以下描述中,参考形成其一部分的附图,其中通过图示的方式示出了可以实施本教导的具体示例性实施例。足够详细地描述这些实施例以使本领域技术人员能够实践本教导,并且应当理解可以使用其它实施例,并且可以在不脱离本教导的范围的情况下进行改变。因此,以下描述仅是示例性的。[0032]本公开的实施例提供对机器,包括诸如燃气涡轮机、风力涡轮机、水力涡轮机等的涡轮机械的主动控制。本公开的实施例可以应用生成的机器的性能模型来计算机器的属性,然后在机器继续操作时属性可以与它们的实际值进行比较以校准性能模型。术语“性能模型”可以包括将输入状况、输出状况和能量输出的一个或多个集合与机器的各种操作参数和内部状况包括通过涡轮机部件的一个或多个涡轮机级和级间位置的流体路径的内部状况相关的任何方程、方程组、矩阵、算法和或数学模型。在示例性实施例中,控制机器的方法可以包括计算机器的级间状况的集合,其中集合中的级间状况对应于相同机器的输入和或输出状况的集合。级间状况一般是指具有穿过若干涡轮机级和级间位置的流体路径的机器的物理性质例如,温度、压力、流率)。更具体地,级间状况量化涡轮机械的连续级之间的这样的性质。[0033]性能模型可以预测表示输入和或输出状况的一个或多个量,并且这些预测量可以不同于涡轮机械的实际测量值。为了协调这些差异,本公开的实施例包括基于从性能模型产生的预测值与测量的输入和或输出状况之间的差异校准机器的性能模型。校准性能模型可以包括例如修改中间变量以改变包括在性能模型中的变量之间的关系。为了在机器的操作期间提供机器的主动控制,本公开的实施例包括基于校准的性能模型和计算的级间状况的集合调节机器的一个或多个操作参数。[0034]图1示出了常规涡轮机械100,其包括通过共用的压缩机涡轮机轴106可操作地联接到涡轮机部件104的压缩机部件1〇2。涡轮机械100在图1中描绘为燃气涡轮机的形式,但是应当理解在本公开的实施例中其它类型的机器例如,蒸汽涡轮机、水力涡轮机等可以替代燃气涡轮机。更一般地,包括涡轮机部件104的实施例的任何机器可以被使用、修改和或控制以产生如本文中所讨论的本公开的实施例。压缩机部件102可以例如通过燃烧器组件1〇8流体地连接到涡轮机部件104。燃烧器组件1〇8包括一个或多个燃烧器110。燃烧器110可以多种多样的配置安装到涡轮机械1〇〇,包括但不限于:以环管阵列布置。压缩机部件102包括多个压缩机转子叶轮112。压缩机转子叶轮112包括具有多个第一级压缩机转子叶片II6的第一级压缩机转子叶轮114,每个第一级压缩机转子叶片具有关联的翼型部分118。类似地,涡轮机部件104包括多个涡轮机叶轮部件120,其包括具有一组对应的涡轮机转子叶片124的一个或多个转子叶轮122。[0035]在操作期间,诸如燃烧热气体的工作流体可以从一个或多个燃烧器11〇流动到涡轮机部件104中。涡轮机部件104中的工作流体可以越过安装在涡轮机叶轮122上并且布置在一组连续级中的多个转子叶片124。联接到叶轮122和轴106的第一组涡轮机叶片124可以被识别为涡轮机械100的“第一级”,下一组涡轮机叶片124被识别为涡轮机械100的“第二级”等,直到涡轮机械100的最后级中的最后一组涡轮机叶片124。涡轮机械100的最后级可以包括涡轮机械100中的最大尺寸和或最高半径涡轮机叶片124。多个相应的喷嘴未示出)可以定位在涡轮机械100的每个级之间以限定通过涡轮机械100的流动路径的级间部分。流过每个涡轮机叶片124的工作流体可以通过向叶片施加热能和机械能来旋转叶片124,由此旋转涡轮机械100的轴106。由此旋转轴106可以通过机械地联接到发电机部件130来发电,发电机部件将轴106的机械能转换成用于为连接到发电机130的设备供电的电能。由发电机130产生的电能的量可以例如以焦耳J测量作为由涡轮机械1〇〇产生的功和或功率的量。[0036]参考图2,示出了根据本公开的实施例的用于控制机器的操作的系统150。系统150可以包括涡轮机部件104和或与涡轮机部件相互作用以例如通过基于预测值和实际值之间的差异校准性能模型并且基于从校准的性能模型产生的计算的级间状况调节涡轮机械100的一个或多个操作参数来改善涡轮机械100图1和或其它类型的机器的性能。如图所示,涡轮机部件104可以包括具有相应的涡轮机转子叶片124a、124b、124c、124d的多个涡轮机转子叶轮122a、122b、l22c、l22d。各个涡轮机转子叶轮122和叶片124均可以限定涡轮机部件104的相应级,其中“a”表示第一级并且“d”表示涡轮机部件104的最后级。尽管四个级作为示例被示出,但是应当理解各种涡轮机部件104可以包括例如五个涡轮机级,十个涡轮机级,二十个涡轮机级等。通过涡轮机部件104的用于工作流体的路径可以包括大体由它们在其它涡轮机转子叶轮122和叶片124之前、之间和或之后的位置限定的多个级间位置1523、15汍、152:、1521、152^尽管级间位置152、1526相应地示出为紧接在第一级之前或在最后一级之后,但是涡轮机部件104的这些部分仍然可以被识别为级间位置152。[0037]在操作期间,工作流体例如,从燃烧器110图丨)产生的热气体可以用相应的输入状况的集合从连接管线154进入涡轮机部件104的入口156。如本文中,“输入状况”一般是指在进入涡轮机部件104时并且在工作流体已到达其部件例如用于从工作流体提取能量的涡轮机转子叶轮122和叶片124之前与涡轮机械100图1内的工作流体相关的任何单个可量化属性或一组可量化属性。作为示例,入口156中的流体的输入状况可以包括但不限于温度例如以摄氏度(°C表示),压力例如以帕斯卡Pa表示),质量流率例如以千克kg每秒s表示),和或体积流率例如以立方米m3每秒表示)。其它类型的输入状况可以包括例如流体速度,动能,体积通量,流体密度,流体动量,粘度,和从一种或多种其它状况导出的无量纲性质。[0038]通过入口156进入涡轮机部件104的流体然后可以在通过出口158离开涡轮机部件104之前通过连续的涡轮机级(限定为例如涡轮机转子叶轮122、124和级间位置152。通过涡轮机部件104从入口I56到出口158的流体连接可以限定通过涡轮机部件1〇4的流体流动路径,其穿过各个涡轮机级的每个涡轮机转子叶片和叶轮122、124以及它们的级间位置I52。在到达出口158时,工作流体可以具有相应的输出状况的集合,这些输出状况由于流体的能量转换成涡轮机转子叶片1M的运动和由发电机1:30提供的电能而不同于涡轮机部件104的输入状况。如本文中,“输出状况”一般是指在离开涡轮机部件104时在工作流体已到达其部件例如用于从工作流体提取能量的涡轮机转子叶轮122和叶片124之后与涡轮机械100图1的工作流体相关的任何单个可量化属性或一组可量化属性。尽管涡轮机部件104的输入和输出状况将具有不同的量,但是包括在术语“输出状况”中的量可以包括与本文中别处针对输出状况提供的、同时与出口164相关的那些相同和相似的示例。[0039]为了控制机器中的涡轮机部件104的操作,系统150的实施例可以包括联接到涡轮机械100图1和或涡轮机部件104的各种传感器、阀等的控制器160以确定并日控制如本文中所讨论的其各方面。控制器160通常可以包括能够通过处理部件例如,微处理器执行操作的任何类型的计算装置,并且作为示例可以包括计算机,计算机处理器,电气和或数字电路,和或用于计算和处理电气输入的类似部件。在本文中别处详细讨论控制器160的示例性部件和操作功能。[0040]—个或多个入口传感器162、出口传感器164、级传感器166和或路径传感器168可以与控制器160通信并且可以定位在例如可以测量或检查工作流体的涡轮机部件1〇4的相应区域内,区域包括但不限于:入口156,出口158,邻近涡轮机转子叶轮122和叶片124的位置,和或级间位置152。每个传感器162、164、166、168可以配置成确定例如,通过从相关变量直接测量和或计算诸如输入状况、输出状况、流体路径状况例如,涡轮机部件104内的工作流体的温度、压力和或流率等的涡轮机部件104中的各种量以建模并且影响机器中的涡轮机部件104的性能。[0041]在本公开的实施例中可以使用各种传感器。(一个或多个传感器162、164、166、I68可以采取一个或多个温度传感器、(一个或多个流量传感器、(一个或多个压力传感器和或用于评价特定位置处的工作流体的性质的其它装置的形式。采取温度传感器的形式的(一个或多个传感器162、164、166、168可以包括温度计,热电偶(目卩,指示从电压变化引起的温度变化的电压装置),电阻温度感测装置(S卩,用于从电阻的变化评价温度的装置),红外传感器,基于膨胀的传感器即,用于从诸如金属的材料的膨胀或收缩导出温度变化的传感器),和或状态变化传感器。在一个或多个传感器162、164、166、168包括温度传感器的情况下,通过一个或多个传感器162、164、166、168的位置的(一种或多种流体的温度可以被测量和或转换为电信号或输入中继到控制器160。采取压力传感器的形式的(一个或多个传感器162、164、166、168可以包括气压计,压力计,触觉压力传感器,光学压力传感器,电离压力传感器等。为了计算工作流体的流率和或其它动力学性质,(一个或多个)传感器162、164、166、168可以包括例如空气流量计,质量流量传感器,风速计等。(一个或多个传感器162、164、166、168也可以从其它测量的量例如温度,压力,流率等导出一个或多个参数。这些测量的量又可以在涡轮机部件104和或涡轮机械1〇〇的多个位置处被测量,并且通过特定部件例如,经由控制器160应用于流体流动的数学模型。在该情况下,(一个或多个传感器162、164、166、168可以包括用于测量与温度相关的变量的部件和用于基于相关变量预测和或计算温度或其它度量的值的处理部件例如,计算机软件)。一般而言,在一个或多个传感器162、164、166、168的上下文中的术语“计算”是指通过直接测量、预测建模、从相关量导出和或用于测量和或发现特定量的其它数学方法来数学计算特定值的过程。在任何情况下,可以根据相应的测量时间对由每个一个或多个传感器162、164、166、168测量的状况进行索引、制表等。如本文中别处所讨论的,控制器160可以用作用于计算例如,通过估计或导出)涡轮机部件104内不包括一个或多个传感器162、164、166、168的位置处的一个或多个操作状况的“伪传感器”。[0042]除了用于计算涡轮机部件104的各个位置处的工作流体的性质的一个或多个传感器162、164、166、168之外,系统150也可以包括用于测量例如从涡轮机部件104输出的能量的能量传感器170。能量传感器170—般可以具体化为用于测量由涡轮机部件104和或发电机130产生的能量的任何当前己知或以后开发的仪器,包括但不限于电流传感器,电压检测器,磁力计,配置成测量轴106的旋转的速度传感器包括例如基于光学的传感器,位置传感器,电容传感器,转速计等),和或用于计算由涡轮机部件104和或发电机130产生的能量的量的其它类型的传感器。与所使用的一个或多个实施例无关,能量传感器170可以通信地连接例如,电气地和或无线地到控制器160以计算来自涡轮机部件104的能量输出。另外,用能量传感器170检测的能量输出可以通过测量时间制表或以另外方式索引,使得计算的一个或多个能量输出可以在控制器160中交叉参考用一个或多个传感器162、164、166、1册计算的状况。控制器160可以计算来自涡轮机部件104的能量输出,能量输出对应于用一个或多个传感器162、164、166、168计算的输入状况、输出状况等的集合。[°043]涡轮机部件104和系统150可以包括定位在例如连接管线154和入口156之间(即,在燃烧器110和涡轮机部件104之间)的一个或多个控制阀172以在操作期间调节涡轮机械1〇〇图1的各方面。尽管控制阀172通过邻近入口156定位的示例示出,但是也应当理解,其它控制阀172可以定位在涡轮机械100的其它部分中,从而例如影响进入或离开压缩机部件102图1、(一个或多个燃烧器11〇图1和或工作流体流动的涡轮机械1〇〇的其它部分的流体的流率。不管哪个或哪些控制阀172被操纵,通过调节一个或多个控制阀172的位置,可以影响涡轮机部件104内的工作流体的一个或多个变量,例如量、温度、流率等,如本文中。(一个或多个控制阀172可以控制从燃烧器110进入涡轮机部件104的工作流体的量或分数,并且更具体地可以控制工作流体从前面的部件引入涡轮机部件104的速率。不进入涡轮机部件104的工作流体可以通过旁路管线174转移到例如涡轮机械100的其它部件和或可以从其排出而不进入涡轮机部件104。[0044]如木文中所讨论的,控制阀172可以可操作地联接到控制器160,使得控制器160在涡轮机械100图1的操作期间控制控制阀172的位置。更具体地,控制器160可以基于涡轮机械100的校准的性能模型调节控制阀172的位置,校准的性能模型又可以基于从一个或多个传感器162、164、166、168、170检测和或确定的各种量导出的输入和或信号被校准。在示例性实施例中,控制器160可以使用从一个或多个传感器162、164、166、168、170产生的输入状况、输出状况、能量输出等的测量值基于校准的性能模型调节阀172的位置。除了直接控制涡轮机械100的启动速率和或进入涡轮机部件104的流体的流率之外,控制阀172也可以影响其它性质,例如涡轮机部件104的各个部分中的温度、压力等,涡轮机部件104中的涡轮机转子叶轮122和叶片124的差异膨胀(S卩,由热膨胀导致的体积或面积的增加),涡轮机部件104中的内部部件的热应力等。另外,例如通过在燃烧器11〇和控制器16〇之间的机械和或电联接来控制燃烧器110中的燃烧量,可以调节涡轮机部件104的这些特性和或其它特性。为此,控制器160可以包括由用户安装的程序代码,程序代码包括用于将一个或多个性质例如输入状况,输出状况,级间状况等与涡轮机部件104的其它特性相关的性能模型,以便在其操作期间主动建模和控制涡轮机部件104的性能,如本文中。[0045]—起参考图2和图3,控制器160及其子部件的示例性实施例以系统150的简化图示出。特别地,控制器16〇可以包括计算装置204,计算装置又可以包括控制系统206。图3中所示的部件是用于控制机器的系统的一个实施例。如本文所讨论的,计算装置204可以提供性能模型,性能模型将涡轮机械100图1中的涡轮机部件104的操作状况和或其它特性彼此相关。此外,本公开的实施例可以基于例如用一个或多个传感器162、164、166、168、170获得的测量来校准涡轮机械100在其操作期间的预先配置的性能模型。本公开的实施例可以由技术人员、计算装置2〇4和或技术人员和计算装置204的组合部分配置或操作。应当理解图3中所示的各种部件中的一些可以独立地实现,组合,和或存储在包括在计算装置204中的一个或多个独立计算装置的存储器中。此外,应当理解可以不实现一些部件和或功能,或者附加模式和或功能可以作为控制系统206的一部分被包括。[0046]计算装置2〇4可以包括处理器单元PU2〇8,输入输出(IO接口210,存储器212,和总线214。此外,计算装置204被示为与外部IO设备216和存储系统218通信。控制系统206可以执行性能建模程序220,性能建模程序又可以包括配置成执行不同动作的各种软件部件,包括计算器222,确定器224,比较器226,性能模型校准模块(“PM校准器”)228。控制系统206的各种模块可以使用基于算法的计算,查找表,和用于处理、分析和操作数据以执行它们各自的功能的存储在存储器212中的类似工具。一般而言,PU208可以执行计算机程序代码以运行可以存储在存储器212和或存储系统214中的软件,例如控制系统206。在执行计算机程序代码时,PU208可以向或从存储器212、存储系统218和或IO接口210读取和或写入数据。总线214可以提供计算装置204中的每个部件之间的通信链路。IO设备216可以包括使用户能够与计算装置204进行交互的任何设备或使计算装置204能够与本文中的设备和或其它计算装置通信的任何设备。IO设备216包括但不限于键盘,显示器,指示设备等可以直接地或通过中间IO控制器沫示出)联接到控制器160。[0047]存储器212也可以包括与一个或多个机器和或其部件、涡轮机械1〇〇图1和或一个或多个涡轮机部件104相关的各种形式的数据3〇0。如本文中别处所讨论的,控制器160可以基于涡轮机械100的预先配置的性能模型和或从PM校准器228产生的校准的性能模型调节控制阀172,燃烧器110和或机器的其它操作参数。为了校准机器的性能模型,控制系统2〇6的性能建模程序220可以在本公开的过程中存储数据300并与数据交互。例如,输入状况字段302可以包括在相应时间的涡轮机部件104的输入状况的一个或多个集合。更具体地,输入状况字段302的每个条目可以包括在涡轮机部件104的操作期间在特定时间点测量的单组输入状况例如,用(一个或多个传感器162、164、166、168、170,例如在入口156处的工作流体的温度、压力、流率等。数据300也可以包括输出状况字段304,其包括在涡轮机部件104的操作期间在各种时间测量的输出状况的一个或多个集合例如,用(一个或多个传感器I62、1糾、I66、168、170。例如,输出状况字段3〇4可以包括出口158中的工作流体的温度、压力、流率等,其可以对应于给定的时间点。涡轮机械100的其它检测到的操作状况可以使用其它字段和或字段组存储在数据3〇〇中的别处。预先配置的性能模型可以存储在性能模型字段3〇6中,性能模型字段可以包括用于使涡轮机部件104的各种操作状况彼此数学相关的一个或多个方程组。存储在性能模型字段3〇6中的(一个或多个性能模型可以包括涡轮机械100和或其它涡轮机械的预先配置的性能模型,和或可以包括从本文中的各种处理步骤产生的校准的性能模型。由此可以理解数据300可以包括若干测量和或计算的变量,其可以应用于存储在性能模型字段306中的(一个或多个性能模型以建模包括涡轮机部件104的机器的性能。[0048]PM校准器228可以使用机器的测量和或计算的操作状况来校准存储在性能模型字段306中的预先配置的性能模型,操作状况可以存储在例如输入状况字段302、输出状况字段304和或其它形式的数据300内,如本文中别处。更具体地,PM校准器228可以基于数据300和或关于涡轮机部件104和涡轮机械100图1的其它部件的预定信息(例如,燃烧器110中的燃烧温度,涡轮机转子叶轮122和叶片124的规格尺寸,涡轮机部件104中的每个元件的材料成分等修改预先配置的性能模型中的变量之间的建模关系。控制系统206由此可以基于从PM校准器228产生的收集的数据300和或校准的(一个或多个性能模型,例如通过调节控制阀172和或涡轮机械100的其它部件的位置以影响其操作来实时地调节涡轮机械100的性能。控制器160可以使用例如数字命令、指令等形式的控制输入来调节控制阀172和或其它部件,控制输入可以转换为控制阀172和或其它部件的机械调节。调节控制阀172可以直接改变从燃烧器110进入入口156的工作流体的流率,并且这样的流率的变化可以间接影响使用预先配置和或校准的性能模型建模的涡轮机械100的其它操作参数。作为示例,入口156内的工作流体的流率可以影响涡轮机部件104内的工作流体的温度(g卩,以摄氏度(°C计的温度),一个或多个涡轮机转子叶轮122和或叶片124的差异膨胀g卩,在高温下由操作导致并且例如以厘米cm测量的材料膨胀量),由流体路径中的工作流体施加到涡轮机部件104的部件上的热应力的量(即,施加到转子叶轮122和或叶片124的每单位面积的力的量,以牛顿⑻平方米m2测量),等等。进入涡轮机部件104的工作流体的流率也可以影响例如涡轮机部件104的启动速率,来自燃烧器110的排放物的浓度,轴106的旋转速度,涡轮机转子叶片与涡轮机部件104的侧壁之间的间隙,等等。[0049]计算装置204可以包括用于执行由用户安装的计算机程序代码的任何通用计算制品(例如,个人计算机,服务器,手持设备等)。然而,应当理解计算装置204仅代表可以执行本公开的各种处理步骤的各种可能的等效计算装置和或技术人员。另外,计算装置204可以是控制器160的较大系统架构的一部分,其可操作以控制机器的各种方面和元件。[0050]就此而言,在其它实施例中,计算装置204可以包括具有用于执行特定功能的硬件和或计算机程序代码的任何专用计算制品,包括专用和通用硬件软件的组合的任何计算制品,等等。在每种情况下,可以相应地使用标准编程和工程技术来创建程序代码和硬件。在一个实施例中,计算装置204可以包括存储在计算机可读存储设备上的程序产品,其可操作以在执行时自动控制机器例如,通过涡轮机部件104。[0051]一起参考图2-4,示出了木公开的实施例中的用于控制机器的步骤。图4中所示和本文中的步骤提供了用于实现本公开的实施例的一般过程概述,并且通过参考一组示例性示例来讨论。另外,例如,可以通过其中包括一个或多个控制器160的(一个或多个系统150来实现图4中所示的处理流程。在诸如涡轮机械100图1的机器的操作期间,控制器160的性能建模程序220可以在步骤S1测量、计算或以另外方式获得与涡轮机部件104相关的输入状况的集合和输出状况的集合。步骤S1中的输入和或输出状况的获得可以使用一个或多个传感器162、164、166、168、170和或至少部分地用控制器160来执行。由此步骤S1可以被具体化为独立或预备步骤,并且出于该原因在图4中以虚线示出。在实施例中,涡轮机部件104的这些和其它输入状况可以例如通过一个或多个传感器162、164、166、168、170和或配置成测量、导出等涡轮机部件104的入口156中的工作流体的一个或多个特性的其它仪器传输到控制器160。如本文中所讨论的,在步骤S1中计算的输入和或状况可以包括例如工作流体的温度、压力和流率,并且可以作为数据300存储在输入状况字段302或输出状况字段304中。在任何情况下,在步骤S1中针对涡轮机部件104计算的输入和输出状况可以相对于各种操作时间被索引和或交叉参考,使得可以相对于操作时间绘制输入和或输出状况的每一个。[0052]在步骤S1中计算输入和输出状况之后,流程可以进行到在机器的操作期间计算涡轮机部件104的一个或多个级间状况的步骤S2。更具体地,性能建模程序220的计算器222使用预先配置的性能模型和相关量例如,在步骤S1中计算的输入和输出状况计算操作期间的涡轮机部件104的至少一个级间位置152a、152b、152c、152d内的温度、压力、流率等。例如,约1200°C的入口温度、约1000°C的出口温度和约0.5kg每秒的入口流率可以对应于级间位置152d处的约1100°C的温度。计算的(一个或多个级间状况可以索引和或交叉参考各种时间。结果,使用性能模型在步骤S2中计算的(一个或多个级间状况可以对应于在特定时刻在步骤S1中计算的涡轮机械100的输入和或输出状况。[0053]除了在操作期间实时地计算涡轮机械100的级间状况之外,本公开的实施例也提供机器学习过程以使用涡轮机械100的实时数据来连续地校准预先配置的性能模型。在步骤S3,PM校准器228可以校准在步骤S2中用于计算一个或多个级间状况的机器的预先配置的性能模型。如本文中所讨论的,预先配置的性能模型存储在例如性能模型字段306中)可以基于一组输入变量例如,输入温度,输出流率,产生的焦耳和预定值例如,燃烧器110中的点火温度,燃烧器110中的反应物的化学性质,涡轮机部件104中的工作流体的化学性质等数学地估计涡轮机部件104的相应级中的各种性质。性能建模程序220的PM校准器228可以基于在步骤S1中获得的(一个或多个状况和一个或多个输出与在步骤S2中产生的相同状况的任何计算值之间的差异调节预先配置的性能模型。PM校准器228由此可在步骤S3中修改先前生成的性能模型基于例如涡轮机械1〇〇的过去操作,其它机器的操作,与原型相关的测试数据,制造测试等以提供用于控制机器的操作的更新数据集。[0054]在步骤S3中校准性能模型之后,流程可以进行到基于用性能模型计算的涡轮机部件104的各种属性调节机器的一个或多个操作参数的步骤S4。控制器160可以自动地调节控制阀172的位置,燃烧器110的点火温度和或速率,和或机器的其它方面,从而进一步控制涡轮机部件104的操作。在步骤S4中由控制器160执行的(一个或多个动作可以基于涡轮机部件104的操作而变化。例如,为了减小施加到涡轮机转子叶轮122和叶片124上的热应力的量,控制器160可以调节控制阀172的位置以增加或限制通过涡轮机部件104的热燃烧气体的流率。在图5中示出并在本文中别处详细讨论步骤S4的一些示例性实现方式、子步骤等。[0055]一起参考图2、3和5,讨论用于控制机器的操作的过程和子过程。步骤S1和S2可以基本上根据图4中的概述处理流程和或在本文中别处讨论的示例性实施例在控制器160中实现。尽管图5包括用于步骤S3和S4的若干子过程,但是应当理解,替代实施例可以包括以图4中所示的简化形式执行步骤S3和或34,和或省略和或重新布置图5中所示和本文中的步骤S3和S4的各种可选子过程。[0056]在步骤S2中计算来自涡轮机部件的能量输出之后,控制器160可以包括在步骤S3-1中从一组可能的性能模型修改用于涡轮机械100图1和或另一机器的预先配置的模型。预先配置的性能模型可以由用户手动构造,由用于相同机器或用于不同机器的控制器160的实施例自动生成,和或可以经由技术的组合生成。修改预先配置的性能模型可以包括例如调节包括在性能模型中的变量和或常数之间的一个或多个数学关系以更新涡轮机械100的各种操作状况之间的数学关系。在步骤S3-1中应用的过程可以包括关于步骤S3的一般过程描述在本文中别处描述的相同调节,g卩,使用PM校准器228调节性能模型字段306内的预先配置的性能模型。[0057]在示例性实施例中,预先配置的性能模型可以基于12〇〇°c的人□温度、107TC的出口温度和50兆瓦MW的能量输出,例如通过应用预定相关性、涡轮机械1〇〇的材料性质等估计第二涡轮机级处的例如约1150摄氏度°C的温度。然而,一个或多个传感器166可以在涡轮机部件104的第二级处检测到约ll8〇°C的实际温度。在预先配置的性能模型不同于涡轮机械100的真实操作的情况下,控制系统2〇6的PM校准器228可以在步骤S3-1调节预先配置的性能模型。PM校准器228可以例如通过增加或减小输入例如,步骤S1和S2中的计算的变量和一个或多个输出之间的一个或多个预定相关性在步骤S3-1调节预先配置的性能模型。因此,在步骤S3中校准性能模型的过程可以包括在步骤S3-1中选择和调节性能模型内的一个或多个变量。[0058]然后,该过程可以进行到步骤S3-2,调节存储在性能模型内的一个或多个阈值,例如最大入口温度,差异膨胀水平,和或热应力,其可以指示特定涡轮机械100的安全阈值、效率阈值等。这些值可以存储在数据300的相应字段中,并且在本文中关于步骤84的子过程详细讨论用于将涡轮机械100的操作状况与一个或多个阈值比较的过程。[0059]在步骤S4中调节机器的操作参数可以包括基于涡轮机械100的一个或多个性质是否超过阈值来提供一个或多个详细调节。一般而言,本公开的实施例可以包括将操作期间的涡轮机部件104的一个或多个性质与预定值或阈值存储在例如控制器160的存储器212中)比较以进一步调节机器的各种操作参数。例如,入口温度可以直接或间接地从一个或多个传感器162、164、166、168获得,例如使用步骤33的生成的性能模型。在涡轮机部件1〇4中的差异膨胀(S卩,在一个或多个级处的涡轮机转子叶轮122图1或叶片124图1的表面积或体积生长的量)的情况下,计算器222可以使用来自字段302、304、306的数据300结合校准的性能模型计算一个或多个差异膨胀值例如,以厘米、立方厘米等计)。[0060]在操作参数包括热应力的情况下,性能建模程序220可以实现不同的计算。应力一般是指对材料的表面区域施加的内部机械力的量,并且可以例如以牛顿每平方米m2被测量。更具体地,热应力可以是从涡轮机部件104中的工作流体对其移动部件例如,涡轮机转子叶轮122图1-2和叶片124图1-2施加的应力,并且因此可以与环境温度成正比。性能建模程序22〇的计算器222可以计算由工作流体对涡轮机械1〇〇图1的涡轮机转子叶轮122和叶片124施加的热应力的量。更具体地,可以通过将存储在字段3〇2、3〇4、306中的数据300应用于例如在步骤S3中由PM校准器228校准的性能模型来计算热应力的量。[0061]在一个实施例中,性能建模程序22〇的比较器226可以在步骤S4-1中将涡轮机部件104的入口温度与一个或多个预定阈值比较。预定阈值可以对应于例如最大温度以避免不利机械效应例如,在一些情况下部件的额外磨损)。基于该比较,控制系统206的确定器224可以指示涡轮机部件104的入口温度超过特定阈值(g卩,在步骤S4-2为“是”)。在该情况下,流程可以进行到步骤S4-2,其中控制系统206的确定器224确定并且调节涡轮机部件104的工作流体的流率以影响涡轮机械1〇〇内的工作流体的温度。在示例性实施例中,调节涡轮机部件104内的工作流体的流率可以包括调节控制阀172的位置,改变燃烧器110的燃料进入和或燃烧速率,和或发送控制信号以修改联接到或影响涡轮机部件104的其它操作部件。在步骤S4_2中调节涡轮机械100的入口温度之后,流程可以结束(“完成”),或者可以进行到步骤S3,其中性能建模程序220的PM校准器228在步骤S3-1中调节涡轮机械100的性能模型,并且在步骤S3-2中基于涡轮机械100的新操作状况进一步调节入口温度阈值。[0062]在涡轮机部件104的入口温度不超过阈值(即,在步骤S4-1为“否”)的情况下,性能建模程序220的比较器2%在步骤S4-3可以将建模的差异膨胀量与一个或多个预定阈值比较。在涡轮机部件104中的差异膨胀超过阈值(即,在步骤S4-3为“否”)的情况下,流程可以进行到步骤S4-2,其中确定器224调节涡轮机部件104内的工作流体的流率,从而例如减小差异膨胀量以便符合要求和或偏好。本公开的实施例也可以包括基于机器的部件受到的热应力来控制机器的操作。在示例性实施例中,在涡轮机部件104中的差异膨胀量不超过预定阈值(即,在步骤S4-3为“是”)的情况下,性能建模程序22呵以进行到步骤S4-4。在步骤S4-4,性能建模程序220的比较器226可以将在步骤S4-1中计算的热应力的量与一个或多个预定阈值比较。在涡轮机部件104中的热超过阈值(即,在步骤S4-4为“是”)的情况下,流程可以进行到步骤S4-2,其中性能建模程序220的确定器224调节涡轮机部件104内的工作流体的流率,从而例如减小差异膨胀的量以便符合要求和或用户偏好。在热应力不超过阈值即,在步骤S4-4为“否”)的情况下,流程可以结束(“完成”)。也应当理解,步骤S4-KS4-3和步骤S4-4中的一个或多个比较可以以不同顺序被省略或布置,使得性能建模程序220可以基于选择的量和或以特定的偏好顺序调节操作参数。[0063]本文中公开的系统和方法的技术效果包括通过实时校准性能模型来控制机器例如涡轮机械)以提供输入状况、输出状况和级间状况之间的更准确关系。本文中所讨论的实施例可以允许硬件、软件和或其组合在没有来自人类用户的干预的情况下自动控制机器。另外,本文中所讨论的实施例可以减少系统故障或不稳定系统操作的发生,或完全消除这些事件。[00M]本文中所讨论的各种实施例可以提供若干技术和商业优点,其中一些优点通过示例的方式在本文中讨论。本公开的实施例可以减少或消除在控制受到变化的操作事件的机器时的人为错误。具体地,本公开的实施例可以避免将导致不稳定操作或系统故障的控制输入。此外,本文中所讨论的方法的实施例可以减少确定一个机器在其操作时的特定输入和操作参数之间的关系所需的时间。根据本文中的实施例的控制系统和方法也可以确保包括实时输入状况、输出状况和或能量输出的多种多样的状况可以用于控制机器的操作。这些优点可以导致减少的测试时间,以及用于机器的安装和维护的较低的燃料和人员成本。另外,本公开的实施例可以允许制造商或服务商应用从其它机器的操作和或机器的先前操作获得的数据,以在制造和安装时应用于其它机器和或新机器。更一般地,根据本公开的实施例控制的机器可以产生灵活的能量输出和发电率以满足波动的消费者需求。[0065]本文中所使用的术语仅用于描述特定实施例的目的,而不旨在限制本公开。如本文中所使用的,单数形式“一”和“”也旨在包括复数形式,除非上下文另有明确说明。还应当理解当在本说明书中使用时,术语“包括”和或“包含,,指定特征、整数、步骤、作,兀彳干和或部件的存在,但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和或其组合。[0066]如本文中所使用的,术语“配置,,、“配置成,,和或“配置用于,,可以指这样描述的组件的特定目的特征。例如,配置成执行功能的系统或设备可以包括编程为或以另外方式修改成执行该特定功能的计算机系统或计算装置。在其它情况下,存储在计算机可读介质例如,存储介质上的程序代码可以配置成当在该计算装置上执行该程序代码时使至少一个计算装置执行功能。在这些情况下,程序代码的布置在执行时触发计算装置中的特定功能。在其它示例中,配置成与其它部件交互和或作用于其它部件的设备可以被特定地成形和或设计以有效地与这些部件交互和或作用于这些部件。在一些这样的情况下,设备配置成与另一部件交互,原因是其形状的至少一部分与另一部件的形状的至少一部分互补。在一些情况下,设备的至少一部分尺寸确定成与另一部件的至少一部分交互。设备和另一个部件之间的物理关系例如,互补,尺寸一致等可以帮助执行功能,例如,移动一个或多个设备或其它部件,接合一个或多个设备或其它部件等。[0067]该书面描述使用示例来公开包括最佳模式的实施例,并且也使本领域的任何技术人员能够实施实施例,包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何包含的方法。本公开的专利范围由权利要求限定,并且可以包括本领域的技术人员想到的其它示例。这样的其它示例旨在属于权利要求的范围内,只要它们具有与权利要求的文字语言没有区别的结构元件,或者只要它们包括与权利要求的文字语言无实质区别的等效结构元件。

权利要求:1.一种用于控制机器的方法,所述方法包括:使用所述机器的性能模型计算对应于所述机器的操作期间的输入状况的集合和输出状况的集合中的一个的所述机器的级间状况的集合,其中所述机器包括在其中具有流体路径的涡轮机部件,所述流体路径穿过多个涡轮机级和多个级间位置,并且其中所述输入状况的集合、所述输出状况的集合和所述级间状况的集合的每一个包括温度、压力和流率中的一个;基于所述机器的性能模型中的预测值与所述输入状况的集合和所述输出状况的集合中的一个之间的差异校准所述机器的性能模型;以及基于校准的性能模型和计算的所述机器的级间状况的集合调节所述机器的操作参数。2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述机器的性能模型包括所述机器的所述涡轮机部件内的热应力和热膨胀的阈值。3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,校准所述性能模型包括调节所述热应力和热膨胀的阈值。4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,调节所述机器的操作参数包括响应所述热应力和热膨胀超过所述阈值而减小所述入口内的流率。5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述流体路径的性能模型包括所述机器的所述涡轮机部件中的所述多个涡轮机级的每一个的启动速率。6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,调节所述操作参数包括调节所述涡轮机部件的控制阀的位置。7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,其还包括用校准的性能模型重复所述计算、校准和调节。8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述性能模型对应于与正被控制的机器不同的机器。9.一种用于控制机器的系统,所述系统包括:与所述机器的监视系统通信的系统控制器,所述系统控制器可操作以:使用所述机器的性能模型计算对应于所述机器的操作期间的输入状况的集合和输出状况的集合的所述机器的级间状况的集合,其中所述机器包括在其中具有流体路径的涡轮机部件,所述流体路径穿过多个涡轮机级和多个级间位置,其中所述输入状况的集合、所述输出状况的集合和所述级间状况的集合的每一个包括温度、压力和流率中的一个,并且基于所述机器的性能模型中的预测值与所述输入状况的集合和所述输出状况的集合中的一个之间的差异校准所述机器的性能模型;以及可操作地联接到所述系统控制器和所述涡轮机部件的入口的控制阀,所述控制阀可操作以基于校准的性能模型和计算的所述机器的级间状况的集合调节所述机器的操作参数。10.—种存储在计算机可读存储介质上用于控制机器的程序产品,所述计算机可读存储介质包括程序代码,所述程序代码用于使计算机系统:使用所述机器的性能模型计算对应于所述机器的操作期间的输入状况的集合和输出状况的集合的所述机器的级间状况的集合,其中所述机器包括在其中具有流体路径的涡轮机部件,所述流体路径穿过多个涡轮机级和多个级间位置,其中所述输入状况的集合、所述输出状况的集合和所述级间状况的集合的每一个包括温度、压力和流率中的一个;基于所述机器的性能模型中的预测值与所还牺八认沉的朱中的一个之间的差异校准所述机器的性能模型;以及基于校准的性能模型和计算的所述机器的级间状况的集合调节所述机器的操作参数

百度查询: 通用电气公司 用校准的性能模型控制机械

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