Un método de supervisar estados de proceso de un motor de combustión interna,

en particular de una máquina rotativa (2), teniendo el motor de combustión interna una cámara de combustión (2c), incluyendo el método:

medir composiciones de eductos (ma, mf) que entran en la cámara de combustión (2c);

determinar en base a las composiciones de los eductos (ma, mf) una composición de un producto (mg) producido por la cámara de combustión (2c);

determinar la potencia mecánica (Pmech) generada por la máquina rotativa (2); y

determinar un valor de al menos uno de los estados de proceso en base a la potencia mecánica (Pmech), la composición de los eductos (ma, mf) y el producto (mg), y las relaciones estequiométricas de los eductos y el producto

Método y sistema para supervisar estados de proceso de un motor de combustión interna.

Campo de la invención

La presente invención se refiere al campo de la tecnología de control e instrumentación para motores de combustión interna. Específicamente, la presente invención se refiere al campo de tecnología de control e instrumentación para máquinas rotativas. Más específicamente, la invención se refiere a un método y un sistema para supervisar estados de proceso de una máquina rotativa con una cámara de combustión, en particular una turbo máquina tal como una turbina de gas.

Antecedentes de la invención

Los motores de combustión interna, en particular las máquinas rotativas, por ejemplo las turbo máquinas tal como turbinas de gas, o máquinas alternativas, por ejemplo motores diesel, están sometidos a carga considerable. La fluencia y la fatiga afectan a las máquinas en condiciones extremas debido a temperaturas de combustión muy altas, relaciones de presión, y flujos de aire. Como consecuencia de su deterioro, todos los componentes principales de una turbina de gas (GT), es decir, la boquilla de entrada, el compresor, la cámara de combustión, la turbina, el refrigerador de flujo de aire, y la salida, contribuyen, en grado diferente, a la degradación del rendimiento de la GT. La condición de cada componente único se deteriora invariablemente con el tiempo de operación, hasta que es restablecida al menos parcialmente por alguna acción de mantenimiento.

El objetivo del diagnóstico del rendimiento de turbinas de gas es detectar exactamente, aislar y averiguar cambios de rendimiento, mal funcionamiento del sistema y problemas de instrumentación. Entre otras varias técnicas, el análisis del recorrido de gases (GPA), descrito por ejemplo en EP-A 1 233 165, es una estructura consolidada para estimar cambios en el rendimiento a partir del conocimiento de parámetros medidos, tales como la potencia, velocidades del motor, temperaturas, presiones o flujo de carburante, tomados a lo largo del recorrido de gases de la turbina. Los cambios discernibles en estos parámetros medidos proporcionan la información necesaria para determinar el cambio subyacente en la operación del motor a partir de un estado de referencia, nominal o inicial, es decir, los síntomas de degradación. GPA permite identificar el deterioro del rendimiento del motor en términos de una degradación de parámetros independientes o estados del sistema tales como las eficiencias termodinámicas, las capacidades de flujo y las zonas de filtro de entrada/salida. En un paso de diagnóstico posterior, se analizan estos síntomas de degradación y se deduce un programa de acciones de mantenimiento, para asegurar una operación económica y segura, o se realiza una predicción de la vida restante de los componentes principales. El origen de un fallo que afecta a un componente dado de la turbina de gas puede ser de diversa naturaleza, tal como una contaminación de los álabes del compresor, la erosión de los álabes de la turbina o la corrosión de partes de la máquina, por ejemplo. A la inversa, fallos diferentes a menudo crean efectos o síntomas de degradación similares observables.

Consiguientemente, para la operación de una GT, es importante conocer exactamente los estados principales del proceso tales como las temperaturas, las presiones o el flujo másico de fluido, antes y después de cada componente. Específicamente, la temperatura de entrada de la turbina se considera un límite superior, puesto que las altas temperaturas permiten que los álabes de turbina se deterioren más rápidamente que las temperaturas más bajas, reduciendo por ello el tiempo de vida de la GT. Por otra parte, para una operación eficiente del carburante de una GT se requieren altas temperaturas. Por lo tanto, la temperatura de entrada de la turbina es controlada estrictamente. Sin embargo, en muchas GTs, la temperatura de entrada de la turbina no se mide, sino que se deriva de otros estados mensurables, que producen incertidumbre sobre la variable controlada. Por lo tanto, los métodos fiables de derivar las temperaturas de entrada de la turbina son cruciales para operar eficientemente una GT. El conocimiento exacto de estos estados no medidos hace posible estimar mejor las condiciones operativas y, por lo tanto, predecir mejor el programa de mantenimiento.

Típicamente, los métodos convencionales de determinar estados de proceso desconocidos usan un modelo dinámico o estático. Estos modelos se basan en principios termodinámicos y mecánicos de los fluidos. Las técnicas basadas en modelos utilizan a menudotécnicas de filtro Kalman para la estimación en línea de los estados desconocidos o usan métodos iterativos (por ejemplo Newton-Raphson), como se describe en EP 1 233 165. Sin embargo, estos métodos sufren el impacto negativo de que el fluido que fluye a través de la GT influye considerablemente en los estados no medidos, por ejemplo la humedad ambiente (en forma de vapor) enfría la temperatura de entrada de la turbina debido a la energía de vaporización requerida. A menudo este efecto se compensa aplicando curvas de corrección empíricas. Este efecto también se usa para reducir la temperatura en la cámara de combustión con el fin de reducir la emisión de NOx cuando la GT opera con carburante líquido (aceite) en lugar de carburante gaseoso. Generalmente, la combustión no es modelada y, por lo tanto, no se consideran la composición de aire (influenciada por la humedad ambiente) y de los gases de escape (influenciada por la composición de carburante y aire) y los flujos másicos correspon- dientes.

La Patente de Estados Unidos número 4517948 (de Kaji y colaboradores) describe un aparato para controlar una relación de aire-carburante en motores de combustión interna. El aparato permite el control de realimentación determinando datos de corrección para varios estados operativos del motor y utilizando posteriormente los datos recogidos en correspondencia con un flujo dado de aire de admisión.

La Patente de Estados Unidos número 4945882 (de Brown y colaboradores) se refiere al control de carburante para un motor usando una mezcla de carburante líquido en un bucle cerrado en la salida de un sensor de oxígeno montado en el escape del vehículo. El aparato tiene la finalidad de mantener una relación estequiométrica de aire/carburan- te.

Descripción de la invención

Por lo tanto, un objetivo de la presente invención es proporcionar un método mejorado y un sistema mejorado para supervisar estados de proceso no medidos de un motor de combustión interna, en particular de una máquina rotativa que tiene una cámara de combustión, y más en concreto, una turbo máquina tal como una turbina de gas. Un objetivo concreto de la presente invención es proporcionar un método y un sistema para determinar más exactamente que con métodos convencionales la temperatura de entrada de una turbina de gas. Otro objetivo de la presente invención es determinar más estados de proceso no medidos tales como el flujo másico de aire, el flujo másico de gases de escape y la presión de entrada de la turbina, importantes para conocer la eficiencia de la turbina de gas.

Al menos algunos de estos objetivos se logran con un método de y un sistema para supervisar estados de proceso de un motor de combustión interna, en particular de una máquina rotativa, según la reivindicación 1 y la reivindicación 7 respectivamente, así como mediante el uso del método según la reivindicación 10. Otras realizaciones preferidas son evidentes por las reivindicaciones dependientes.

Según la presente invención, dichos objetos se logran en particular porque, para supervisar estados de proceso (no medidos) de una máquina rotativa que tiene una cámara de combustión, se miden las composiciones de eductos que entran en la cámara de combustión. En base a las composiciones de los eductos, se determina la composición del producto producido por la cámara de combustión. Además, se determina la potencia mecánica generada por la máquina rotativa. Específicamente, la potencia mecánica se determina en base a características de un generador movido por la máquina rotativa y en base a la potencia medida generada por el generador. En base a la potencia mecánica, la composición de los eductos y producto, y las relaciones estequiométricas de eductos y producto, se determina el valor de al menos uno de los estados de proceso y, por ejemplo, se visualiza y/o envía a una unidad de control que controla la máquina rotativa.

Así, en base a mediciones exactas del educto, por ejemplo la composición de aire y carburante en el proceso de combustión,...

1. Un método de supervisar estados de proceso de un motor de combustión interna, en particular de una máquina rotativa (2), teniendo el motor de combustión interna una cámara de combustión (2c), incluyendo el método:

medir composiciones de eductos (m_a, m_f) que entran en la cámara de combustión (2c);

determinar en base a las composiciones de los eductos (m_a, m_f) una composición de un producto (m_g) producido por la cámara de combustión (2c);

determinar la potencia mecánica (P_mech) generada por la máquina rotativa (2); y

determinar un valor de al menos uno de los estados de proceso en base a la potencia mecánica (P_mech), la composición de los eductos (m_a, m_f) y el producto (m_g), y las relaciones estequiométricas de los eductos y el producto.

2. El método según la reivindicación 1, donde determinar el valor del al menos único de los estados de proceso incluye determinar al menos uno de un flujo másico de aire (w_a) a través de un compresor (2b) que conduce a la cámara de combustión (2c), y un flujo másico de gas (w_g), una composición (m_g) y una temperatura (T₃) de los gases de escape que salen de la cámara de combustión (2c) y/o entran en una turbina (2d).

3. El método según la reivindicación 1, incluyendo además medir las temperaturas de los eductos y el producto, y determinar entalpías (h_a, h_f, h_g) para los eductos y el producto usando funciones de entalpía asociadas con sus respectivas composiciones (m_a, m_f, m_g), donde determinar las entalpías (h_a, h_f, h_g) para los eductos y el producto se basa en su temperatura respectiva, y donde determinar el valor del al menos único de los estados de proceso se basa en las entalpías (h_a, h_f, h_g).

4. El método según la reivindicación 1, donde supervisar los estados de proceso incluye supervisar los estados de proceso de una turbina de gas, y donde determinar el valor del al menos único de los estados de proceso incluye determinar un flujo másico de aire (w_a) a través de un compresor (2b) que conduce a la cámara de combustión (2c), determinar un flujo másico de gas (w_g) de los gases de escape que salen de la cámara de combustión (2c) en base al flujo másico de aire (w_a) y un flujo másico de carburante (w_f) a la cámara de combustión (2c), determinar una composición de los gases de escape (m_g) en base al flujo másico de aire (w_a) y el flujo másico de gas (w_g), y determinar una temperatura (T₃) de los gases de escape que salen de la cámara de combustión (2c) en base al flujo másico de aire (w_a), el flujo másico de gas (w_g), y la composición de los gases de escape (m_g), siendo la temperatura (T₃) de los gases de escape que salen de la cámara de combustión (2c) representativa de una temperatura de entrada de la turbina movida por los gases de escape que salen de la cámara de combustión (2c).

5. El método según la reivindicación 4, donde determinar la temperatura (T₃) de los gases de escape incluye determinar una función de entalpía invertida asociada con la composición de los gases de escape (m_g), y determinar la temperatura (T₃) de los gases de escape que salen de la cámara de combustión (2c) se basa en el flujo másico de aire (w_a) y el flujo másico de gas (w_g) usando la función de entalpía invertida.

6. El método según la reivindicación 4, incluyendo además medir temperaturas (T₂, T_f) del aire y carburante que entran en la cámara de combustión (2c), medir la temperatura (T₄) de los gases de escape que salen de la turbina, y determinar entalpías (h_a, h_f, h_g) para aire, carburante y gases de escape en base a sus respectivas temperaturas, y donde determinar el valor del al menos único de los estados de proceso se basa en las entalpías (h_a, h_f, h_g).

7. Un sistema (1) para supervisar estados de proceso de un motor de combustión interna, en particular de una máquina rotativa (2), teniendo el motor de combustión interna una cámara de combustión (2c), incluyendo el sistema (1):

sensores (11) que miden composiciones de eductos (m_a, m_f) que entran en la cámara de combustión (2c);

una unidad de procesado (13) que calcula una composición de un producto (m_g) producido por la cámara de combustión (2c), en base a las composiciones de los eductos (m_a, m_f);

calcular la potencia mecánica (P_mech) generada por la máquina rotativa (2); y

calcular un valor de al menos uno de los estados de proceso en base a la potencia mecánica (P_mech), la composición de los eductos (m_a, m_f) y el producto (m_g), y relaciones estequiométricas de eductos y producto.

8. El sistema (1) según la reivindicación 7, donde la máquina rotativa (2) es una turbina de gas donde los estados de proceso incluyen al menos uno de un flujo másico de aire (w_a) a través de un compresor (2b) que conduce a la cámara de combustión (2c), y un flujo másico de gas (w_g), una composición (m_g) y una temperatura (T₃) de gases de escape que salen de la cámara de combustión (2c), y donde los medios para determinar el valor del al menos único de los estados de proceso están configurados además para determinar un flujo másico de aire (w_a) a través de un compresor (2b) que conduce a la cámara de combustión (2c), para determinar un flujo másico de gas (w_g) de gases de escape que salen de la cámara de combustión (2c) en base al flujo másico de aire (w_a) y un flujo másico de carburante (w_f) a la cámara de combustión (2c), para determinar una composición de los gases de escape (m_g) en base al flujo másico de aire (w_g) y el flujo másico de gas (w_g), y para determinar una temperatura (T₃) de los gases de escape que salen de la cámara de combustión (2c) en base al flujo másico de aire (w_a), el flujo másico de gas (w_g), y la composición de los gases de escape (m_g), siendo la temperatura (T₃) de los gases de escape que salen de la cámara de combustión (2c) representativa de una temperatura de entrada de la turbina movida por los gases de escape que salen de la cámara de combustión (2c).

9. El sistema (1) según la reivindicación 8, incluyendo además medios para medir la temperatura (T₂, I_f) del aire y carburante que entran en la cámara de combustión (2c), medios para medir la temperatura (T₄) de los gases de escape que salen de la turbina, y medios para determinar entalpías (h_a, h_f, h_g) para aire, carburante y gases de escape en base a sus respectivas temperaturas, y donde los medios para determinar el valor del al menos único de los estados de proceso están configurados para determinar el valor del al menos único de los estados de proceso en base a las entalpías (h_a, h_f, h_g).

10. Un uso de un método de supervisar estados de proceso según una de las reivindicaciones 1 a 6 al objeto de diagnosticar el sistema de combustión interna, incluyendo;

medir, por medio de sensores, composiciones de eductos (m_a, m_f) que entran en la cámara de combustión (2c),

determinar una composición de un producto (m_g) producido por la cámara de combustión (2c), en base a las composiciones de los eductos (m_g, m_f),

derivar, a partir de la composición determinada, información acerca de la calidad de combustión o una calidad de la entrada de carburante, o información acerca de fallo de sensores.