CN105652692B - 基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台及控制方法，所述的半实物仿真平台包括加热器、换热器、空气泵、汽轮机和控制器，加热器的出口通过管道与换热器的入口连接，并且其之间的管道上设有温度传感器，换热器的出口通过管道与汽轮机的入口连接，空气泵的出口通过管道与换热器的出口连接，换热器的出口与汽轮机的入口之间的管道上设有流量计和电磁阀，控制器通过I/0板卡分别与温度传感器、流量计和电磁阀连接。控制器自动的调节供给汽轮机的空气的流量，并形成反馈，来更真实的模拟热发电工业过程。

Description

基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台及控制方法

技术领域

本发明涉及电厂仪控仿真技术领域，具体涉及一种基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台及控制方法。

背景技术

由于电厂工作环境的特殊性，高校的科研人员不可能深入电厂一线来进行电厂方面的理论的研究，所以搭建一个半实物的仿真平台的必要性显现出来了。电厂的种类有很多，如火电厂，核电厂，水电厂，风力发电厂等，其中火电厂的比例占了绝大多数。若有一个半实物的仿真平台能够被搭建起来，高校的研究者们就可以利用此平台，对电厂的工艺流程进行熟悉，对电厂的控制方法进行探索，对电厂的管理方法进行研究，从而大大提高电厂的研究成果，推动电厂的发展。虽然不能像电厂设备那样工作在苛刻的环境下，但在实验室环境下，该半实物仿真平台能够大体的模拟电厂的工艺流程和控制方法，并且实验室环境下，研究的自由度更大，所以该半实物仿真平台对研究的意义重大。

相比于软件仿真系统，半实物仿真系统更具有实际操作的价值，这让研究有了一个实际的看得见摸得着的对象，这更有利于课题研究的展开，使得理论上的推导可以在实际对象中得以验证。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台及控制方法，控制器自动的调节供给汽轮机的空气的流量，并形成反馈，来更真实的模拟热发电工业过程。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台，包括加热器、换热器、空气泵、汽轮机和控制器加热器的出口通过管道与换热器的入口连接，并且其之间的管道上设有温度传感器，换热器的出口通过管道与汽轮机的入口连接，空气泵的出口通过管道与换热器的出口连接，换热器的出口与汽轮机的入口之间的管道上设有流量计和电磁阀，控制器通过I/0板卡分别与温度传感器、流量计和电磁阀连接。

接上述技术方案，所述加热器包括加热电阻丝和加热罐，加热电阻丝设置于加热罐内。

接上述技术方案，所述加热器包括有多个加热电阻丝，多个加热电阻丝分布于加热罐内的不同位置，加热罐上设有多个出口，每个出口对应连接一个换热器，每个加热罐的出口分别通过管道与对应的换热器的入口连接，每个加热罐的出口的管道上均设有一个温度传感器，多个换热器的出口的管道汇合到一起，再经过一个流量计和电磁阀与汽轮机的入口连接。

接上述技术方案，所述加热电阻丝个数为2～4个。

接上述技术方案，所述控制器包括PLC。

接上述技术方案，所述半实物仿真平台还包括负载，汽轮机带动负载运转。

采用以上所述的基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台所使用的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)控制器通过温度传感器检测加热器出口的温度T；

2)控制器根据检测的加热器出口的温度T及传递函数公式，计算出空气泵应输出的空气流量Q；

3)实际输出的空气流量可能会因为某些因素发生波动，通过流量计测量管道汇总过来的空气流量，作为反馈信号反馈至控制器，控制器据此可以将空气流量稳定维持在设定值；

4)控制算法采用模糊PID控制，根据实际的空气流量和流量的变化率，通过调节电磁阀的开度来动态调节换热器出口的空气流量，改变汽轮机的转速。

接上述技术方案，所述步骤2)中，传递函数公式为：其中T为加热器出口的温度，Q为根据计算空气泵应该输出的空气流量。

本发明具有以下有益效果：

加热器模拟核反应推或电厂中动力源，换热器和空气泵用来模拟蒸汽发生器，空气泵为汽轮机提供足够的空气流量，在实验室环境下不能用高温将水烧开产生蒸汽的方法来推动汽轮机转动，为了克服了推动汽轮机转动的难题，采用空气压缩机鼓入动气的方法，可以解决这个问题，控制器根据加热器出口的温度变化和检测到换热器出口的实际空气流量来动态调整电磁阀的开度，进而调节换热器出口的空气流量使汽轮机的转速发生变化，并形成反馈，来更真实的模拟热发电工业过程。

附图说明

图1是本发明实施例中基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台的结构原理图；

图2是本发明实施例中基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台的控制原理图；

图中，1-加热器，2-换热器，3-空气泵，4-汽轮机，5-温度传感器，6-流量计，7-电磁阀，8-负载，9-PLC。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1～图2所示，本发明提供的一个实施例中的基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台，包括加热器1、换热器2、空气泵3、汽轮机4和控制器，加热器1的出口通过管道与换热器2的入口连接，并且其之间的管道上设有温度传感器5，换热器2的出口通过管道与汽轮机4的入口连接，空气泵3的出口通过管道与换热器2的出口连接，换热器2的出口与汽轮机4的入口之间的管道上设有流量计6和电磁阀7，控制器分别与温度传感器5、流量计6和电磁阀7连接，控制器通过温度传感器5检测加热器1的出口的温度，流量计6检测换热器2的出口的空气流量，并反馈至控制器，控制器根据加热器1的出口的温度变化和检测到换热器2的出口的实际空气流量来动态调整电磁阀7的开度，进而调节换热器2所提供的压力使汽轮机4的转速发生变化；加热器1模拟核反应推或电厂中动力源，换热器2和空气泵3用来模拟蒸汽发生器，空气泵3为汽轮机4提供足够的空气流量，控制器自动的调节供给汽轮机4的空气的流量，并形成反馈，来更真实的模拟热发电工业过程。

进一步地，所述电磁阀7为调节空气流量的阀。

进一步地，所述加热器1包括加热电阻丝和加热罐，加热电阻丝设置于加热罐内。

进一步地，所述加热器1包括有多个加热电阻丝，多个加热电阻丝分布于加热罐内的不同位置，加热罐上设有多个出口，每个出口对应设有一个换热器2，每个加热罐的出口分别通过管道与对应的换热器2的入口连接，每个加热罐的出口的管道上均设有一个温度传感器5，多个换热器2的出口的管道汇合到一起，再经过一个流量计6和电磁阀7与汽轮机4的入口连接。

进一步地，所述加热电阻丝个数为3个，加热罐上对应设有3个出口。

进一步地，所述控制器包括PLC9。

进一步地，所述半实物仿真平台还包括负载8，汽轮机4带动负载8运转。

采用以上所述的基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台所使用的控制方法，包括以下步骤：

1)控制器通过温度传感器5检测加热器1出口的温度T；

2)控制器根据检测的加热器1的出口的温度T及传递函数公式，计算出空气泵3应输出的空气流量Q；

3)实际输出的空气流量可能会因为某些因素发生波动，采用闭环控制，通过流量计6测量管道汇总过来的空气流量，作为反馈信号反馈至控制器，控制器据此可以将空气流量稳定维持在设定值；

4)控制算法采用模糊PID控制，根据实际的空气流量和流量的变化率，通过调节电磁阀7的开度动态调节换热器2的出口的空气流量，改变汽轮机4的转速。

本发明的工作原理：

系统硬件工作原理：基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台由加热器1，换热器2，空气泵3，汽轮机4，负载8，电磁阀7，温度传感器5，流量计6，以及相应的管道，电气，机械连接组成，可以用于模拟研究核发电厂，也可推广到基于热原理发电的电厂的研究。

以压水堆核电站为例，压水堆核电站主要由3个回路组成，一回路包括核反应堆，稳压器，水泵以及管道，阀门等等，二回路包括蒸汽发生器，水泵以及管道，阀门等等，三回路是冷凝回路，将二回路的蒸汽冷凝成水循环使用。

在核电实际现场，核反应堆里面产生核裂变反应，产生巨大的热量，该热量由冷却剂水带出，并在水泵的作用下，一回路的水形成循环流动，不断地带走反应堆堆芯的热量，带走的热量在蒸汽发生器里面发生热交换，把二回路的水加热至沸腾，产生蒸汽，推动汽轮机4转动，带动负载8发电。

但是，实验室环境下，产生过高的温度和压力会比较危险，所以不能用高温将水烧开产生蒸汽的方法来推动汽轮机4转动，汽轮机4的转动需要一定的空气的压力和流速，所以可以用空气泵3泵入空气的方法来使汽轮机4转动；首先应设定好空气泵3的正常工作的参数，如供电电压等，然后可以通过控制器控制电磁阀7(实施例中选用空气阀)的开度的方法来实现空气压力与流速的改变；在这里，水可能只被加热到40度左右，所以这里换热器2产生不了蒸汽，这里只是模拟核电站的核反应堆产生热量经冷却剂带出并在蒸汽发生器里发生热交换产生蒸汽，推动汽轮机4这一工作过程。

本发明省略了水泵，水箱等原件，而只对核电站的一回路的其中一部分主要的工作过程进行了仿真模拟；如图1所示，加热器1主要用来模拟核反应堆，产生热量，加热器1包括加热电阻丝，可以有多个，这里只用3个加热电阻丝，这3个加热电阻丝可以分别分布在加热罐的不同的空间中，加热罐有3个出口，通过管道连接到换热器2的入口，加热罐的三个出口分别有三个温度传感器5，检测加热器1的出口温度。

换热器2用来模拟蒸汽发生器，加热器1的热量由冷却剂水带出传递给热交换器，三个换热器2由出口管道汇合到一起，再经过一个电磁阀7通过管道接入汽轮机4的入口。

空气泵3用来给管道里泵入一定压力和流速的空气，这可以模拟蒸汽发生器产生的高压的蒸汽，空气泵3经过管道接入换热器2之后，可以在换热器2的腔体中泵入空气，然后通过管道、阀门连接至汽轮机4的输入端。

汽轮机4可以通过电气连接与负载8相连，给负载8供电，对于转矩驱动型负载8，可以与其进行机械连接，直接带动负载8转动工作。控制器选用PLC9，PLC9经I/O板卡与过程现场直接连接控制，虚线表示它们的电气连接。

软件的控制原理：

软件的创新点在于利用模糊PID控制的方法根据加热器1出口温度的变化，动态的通过调整空气阀的开度来调整换热器2供压力，从而使汽轮机4的转速发生变化。

如图2所示，模糊PID原理框图

首先用多个传感器检测加热器1的出口温度T，采集来的温度信号T1，T2，T3，对其求平均值T，即:

实际中，蒸汽发生器产生推动汽轮机4的流量Q与核反应堆的出口温度T的传递函数关系十分复杂，在这里，代表的是加热器1的出口温度T与换热器2的出口的空气流量Q的关系，根据经验，这可以简化成用一个惯性环节和一个延迟环节的乘积来代替，即：

其中K，T₁，τ等参数可以通过系统辨识的方法来确定。

根据流量与流量的变化率，通过控制器控制阀的开度动态的调节换热器2的出口的空气流量Q，改变汽轮机4的转速，其中流量及流量的变化率是温度及温度变化率的结果。

根据检测的加热器1出口的温度T及传递函数公式，计算出空气流量Q，该空气流量Q可能会因为某些因素发生波动，这里采用闭环控制，流量计6测量三个管道汇总过来的空气流量，作为反馈信号反馈至输入，使空气流量Q尽量保持稳定。

控制器的算法采用模糊PID控制，该算法可以动态改变P、I、D三个参数，所以，相比经典PID控制，它可以达到更好的动态效果。

模糊控制器的维数由输入数量决定，在本发明采用二维模糊控制器。即输入为压力及压力的变化率。模糊控制主要由模糊化、模糊推理以及解模糊组成。

模糊化：

首先，将输入值以适当的比例转换到属于论域中的数值，即把输入的偏差以及偏差的变化率乘上一量化因子，使其转换到所设定的论域中。然后，利用口语化的变量来描述测量物理量的过程。

模糊推理：

首先确定模糊集合，选择NB、NM、NS、NO、PO、PS、PM、PB七个模糊集合，分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，每个集合都有一定的范围，这样能够精确地将输入量变换到模糊集合当中。

其次，确定隶属度函数，隶属度函数表示输入属于模糊集合的程度，其取值在0～1之间。这里，输入采用三角隶属函数，输出也采用三角隶属函数。

模糊推理是根据模糊规则来进行推理的，而模糊规则往往是根据经验得到的，如：当偏差比较小时，希望系统调节参数中对控制上升时间占优的参数处于主导地位；当偏差比较大时，调节超调量的参数占有主导地位。因此，根据不断观察输入和输出可以得到模糊规则，并用模糊语言将其表示出来。模糊推理就是将模糊规则通过一定的方式组合起来的。这里采用的推理方法是Takagi－Sugeno。这种推理方法便于建立动态系统的模糊模型，因此在模糊控制中得到广泛应用。T-S模糊推理过程中典型的模糊规则形式为:如果x是A andy是B，则z＝f(x,y)，其中A和B是模糊集合，而z＝f(x,y)是精确函数。

解模糊：

通过模糊推理得到的结果是一个模糊集合。但在实际模糊控制中，必须要有一个确定值才能控制或驱动执行机构。将模糊推理结果转化为精确值的过程称为反模糊化。这里采用重心法，重心法是取隶属度函数曲线与横坐标围成面积的重心为模糊推理的最终输出值。最后将得到的输出乘以比例因子即可动态改变P、I、D参数的值。

综上所述，本发明的创新点在于用模糊控制的方法，根据加热器的出口温度，用控制器自动的调节供给汽轮机4的空气的流量，并形成反馈，来更真实的模拟工业过程；另外，本发明的研究方法也可以推广到基于热原理发电的电厂的研究，拓宽研究领域，而不仅仅是核电邻域。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种采用基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台所使用的控制方法，其特征在于，基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台包括加热器、换热器、空气泵、汽轮机和控制器，加热器的出口通过管道与换热器的入口连接，并且其之间的管道上设有温度传感器，换热器的出口通过管道与汽轮机的入口连接，空气泵的出口通过管道与换热器的出口连接，换热器的出口与汽轮机的入口之间的管道上设有流量计和电磁阀，控制器通过I/0板卡分别与温度传感器、流量计和电磁阀连接；

所述的半实物仿真平台所使用的控制方法，包括以下步骤：

1)控制器通过温度传感器检测加热器出口的温度T；

2)控制器根据检测的加热器出口的温度T及传递函数公式，计算出空气泵应输出的空气流量Q；

3)实际输出的空气流量可能会因为某些因素发生波动，通过流量计测量管道汇总过来的空气流量，作为反馈信号反馈至控制器，控制器据此可以将空气流量稳定维持在设定值；

4)控制算法采用模糊PID控制，根据实际的空气流量和流量的变化率，通过调节电磁阀的开度来动态调节换热器出口的空气流量，改变汽轮机的转速；

所述步骤2)中，传递函数公式为：其中T为加热器出口的温度，Q为根据计算空气泵应该输出的空气流量。

2.根据权利要求1所述的半实物仿真平台所使用的控制方法，其特征在于，所述加热器包括加热电阻丝和加热罐，加热电阻丝设置于加热罐内。

3.根据权利要求2所述的半实物仿真平台所使用的控制方法，其特征在于，所述加热器包括有多个加热电阻丝，多个加热电阻丝分布于加热罐内的不同位置，加热罐上设有多个出口，每个出口对应连接一个换热器，每个加热罐的出口分别通过管道与对应的换热器的入口连接，每个加热罐的出口的管道上均设有一个温度传感器，多个换热器的出口的管道汇合到一起，再经过一个流量计和电磁阀与汽轮机的入口连接。

4.根据权利要求3所述的半实物仿真平台所使用的控制方法，其特征在于，所述加热电阻丝个数为2～4个。

5.根据权利要求1所述的半实物仿真平台所使用的控制方法，其特征在于，所述控制器包括PLC。

6.根据权利要求1所述的半实物仿真平台所使用的控制方法，其特征在于，所述半实物仿真平台还包括负载，汽轮机带动负载运转。