CN109030004A - 汽轮机转速调节系统模拟实验装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明汽轮机转速调节系统模拟实验装置及其方法，属于汽轮机转速调节控制领域，鼓风机产生高压气体高压气体通过智能反馈调节阀调节气体流量后再经过喷嘴结构加速驱动涡轮转动，驱动涡轮带动转子‑轴承系统运行，转子‑轴承系统在静止或者运行过程中，与转子‑轴承系统同轴转动的转速传感器采集转速信号，经过前置放大器放大后将信号传递给信号采集A/D，处理后的转速信号，通过控制单元计算智能反馈球阀开度信号，阀门开度信号通过信号转换D/A，并通过功率放大器放大后交予球阀执行机构执行，改变阀门开度调节驱动涡轮的进气流量，改变转子‑轴承系统的转速。本发明工作稳定，其工作过程、工作原理、实验功能能够有效模拟实际汽轮发电机组。
Description
技术领域
本发明的汽轮机转速调节系统模拟实验装置及其方法，属于汽轮机转速调节控制领域，具体涉及一种汽轮机转速调节系统的转速测量与控制的实验装置。
背景技术
汽轮机发电机组是目前国际上主要的电能转化装置，汽轮机工作的一个重要保障是转速，例如中国汽轮机发电的频率是50Hz，即汽轮机工作转速必须保持在3000转/分附近。汽轮机通过调节系统调节汽轮机主汽门的开度，保持汽轮机的工作转速恒定，当汽轮机工作转速低于3000转/分时，调节系统使主汽门开度增加；当汽轮机工作转速高于3000转/分时调节系统使主汽门开度减小，当汽轮机工作转速高于3200转/分时，调节系统使主汽门关闭，进行超速保护，使汽轮机停机。
汽轮机调节系统是汽轮机安全、可靠工作的重要保障。为了研究和模拟汽轮机转速调节系统的工作原理和调节系统特性，常采用汽轮机转速调节系统模拟实验装置，进行工况模拟。目前用于模拟汽轮机转速调节系统的实验台较少，高校中有通过液压机构控制油门，调节发动机转速，该装置无法有效模拟汽轮机调节过程。
针对上述存在的问题，考虑到汽轮机调节系统对汽轮机安全、可靠的重要作用，研究设计一种通过电气设备调节驱动涡轮转速的实验装置，从而加深高校学生或其他人员对汽轮机转速调节控制过程的理解。
现有的模拟汽轮机转速调节系统的实验台缺点主要有以下几方面：
（1）大多为静态调节，无法根据实际转速的反馈值自动进行闭环的动态控制。
（2）搭建成本较高、测试过程中噪声明显。
（3）调节系统的延迟较大，测试时间较长。
术语解释：
自动调节系统：自动调节系统是一种反馈系统，它的输出量基本保持不变或静态偏差有微小变化。可以利用仪表和设备使生产过程自动地维持在规定的工况下运行。
静态特性：调节过程结束后，在稳态情况下，各元件参数（转速、压力、功率、位移）的相互关系，成为调节系统的静态特性。
动态特性：在调节过程中各元件的运动规律和相互关系叫做调节系统的动态特性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于Simulink的汽轮机转速调节系统模拟实验装置及其方法，其工作稳定且操作方便。该模拟实验装置的工作过程、工作原理、实验功能均能够有效模拟实际汽轮发电机组。不但能够实现转速调节过程中的静态特性测试，还可以实现调节系统的动态特性测试。
为达到上述目的，本发明一方面提出的技术方案是汽轮机转速调节系统模拟实验装置，其包括鼓风机、变频器、智能反馈调节阀、驱动涡轮、转子-轴承系统、转速传感器、加载轮盘、支承装置、工控机及PC机；
所述的工控机包括前置放大器、信号采集A/D、控制单元、信号转换D/A、功率放大器、5V电源及24V电源；
所述的鼓风机上设置变频器，鼓风机通过气动软管与智能反馈调节阀相连接，智能反馈调节阀连接至驱动涡轮的进气蜗壳；
所述的汽轮机转速调节系统模拟实验装置中驱动涡轮、转子-轴承系统、转速传感器、加载轮盘同轴依次连接；
所述转子-轴承系统两端设置支承装置；
所述转速传感器为光电编码器；
所述的智能反馈调节阀与转速传感器分别通过信号屏蔽线与工控机内数据采集接线端子板相连接，工控机通过SCSI-II电缆与PC机相连接。
进一步的，所述转子-轴承系统为一不锈钢转轴，其两端安装两个配套的滚动轴承进行支承。
优选的，所述控制单元为PID控制单元。
另一方面，本发明提供的技术方案是一种汽轮机转速调节系统模拟实验方法，具体来说，鼓风机产生高压气体，通过变频器改变交流电频率以控制鼓风机供气流量；高压气体通过智能反馈调节阀调节气体流量后再经过喷嘴结构加速驱动涡轮转动，驱动涡轮带动转子-轴承系统运行，转子-轴承系统在静止或者运行过程中，与转子-轴承系统同轴转动的转速传感器采集转速信号，经过前置放大器放大后将信号传递给信号采集A/D，处理后的转速信号，通过控制单元计算智能反馈球阀开度信号，阀门开度信号通过信号转换D/A，并通过功率放大器放大后交予球阀执行机构执行，改变阀门开度调节驱动涡轮的进气流量，改变转子-轴承系统的转速。
优选的，所述的控制单元为PID控制单元。
具体来说，主要分为静态特性实验和动态特性实验两部分，所述模拟实验方法包括静态特性实验方法，鼓风机产生高压气体，通过变频器改变交流电频率以控制鼓风机供气流量；高压气体通过智能反馈调节阀调节气体流量后再经过喷嘴结构加速驱动涡轮转动，通过PC机上simulink仿真界面预先设定阀门开度；阀门开度通过工控机采集后实时反馈至PC机；受涡轮带动转子-轴承系统旋转，转子-轴承系统同时带动加载轮盘、同轴的转速传感器（光电编码器）旋转；加载轮盘限制转子-轴承系统的转速过高；光电编码器采集的脉冲信号经过转换后转换为转速信号并通过工控机采集处理信号并传递给PC机，获得测试系统的静态特性。
进一步的，所述静态特性实验方法还包括在特定阀门开度下对应的转速变化曲线的绘制。
上述的动态特性实验方法，基本原理与静态特性实验相似，但是实验开始前，通过PC机上simulink仿真界面预先设定目标转速，系统自动调控阀门开度变化，通过工控机的控制单元控制，使得涡轮-转子系统最终稳定在目标转速附近，完成动态特性实验。
进一步的，所述动态特性实验方法的实验过程中可调整PID参数的数值，以此观察不同PID参数对调节系统性能的影响。
本发明的有益效果：工作稳定，操作方便，本发明的工作过程、工作原理、实验功能能够有效模拟实际汽轮发电机组。
附图说明
图1为发明的模拟实验装置结构示意图；
图2为本发明的原理框图；
图3为仿真平台界面示意图；
图中：1、鼓风机，2、变频器，3、智能反馈调节阀，4、驱动涡轮，5、转子-轴承系统，6、转速传感器，7、加载轮盘，8、支承装置，9、工控机，10、PC机。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行进一步说明。
实施例1
一方面本发明提出的技术方案是一种汽轮机转速调节系统模拟实验装置，其包括鼓风机1、变频器2、智能反馈调节阀3、驱动涡轮4、转子-轴承系统5、转速传感器6、加载轮盘7、支承装置8、工控机9及PC机10；
所述的工控机包括前置放大器、信号采集A/D、控制单元、信号转换D/A、功率放大器、15V电源及24V电源；
所述的鼓风机1上设置变频器2，鼓风机1通过气动软管与智能反馈调节阀3相连接，智能反馈调节阀3连接至驱动涡轮4的进气蜗壳；
所述的汽轮机转速调节系统模拟实验装置中驱动涡轮4、转子-轴承系统5、转速传感器6、加载轮盘7同轴依次连接；
所述转子-轴承系统5两端设置支承装置8；
所述的智能反馈调节阀与转速传感器分别通过信号屏蔽线与工控机内数据采集接线端子板相连接，工控机通过SCSI-II电缆与PC机相连接。
优选的，所述控制单元为PID控制单元。
优选的，所述智能反馈调节阀型号为博尔斯Q911F-16P智能反馈型电动丝扣球阀（DN50）。
进一步的，所述转子-轴承系统5为一不锈钢转轴，其两端安装两个配套的滚动轴承进行支承。
本发明所述的汽轮机转速调节系统模拟实验装置，其控制系统是基于simulink仿真平台搭建，能够对阀门开度、涡轮转速实时监测与图像绘制，控制单元为PID控制，仿真平台界面如图3所示。
另一方面，本发明提供的技术方案是一种汽轮机转速调节系统模拟实验方法，具体来说，依据汽轮机调节系统的原理，模拟汽轮机转速调节过程，进而提出一种汽轮机转速调节系统模拟实验台。其基本原理框图如图2所示。其工作原理为：转子-轴承系统在静止或者运行过程中，转速传感器采集转速信号，经过前置放大器放大后将信号传递给信号采集A/D，处理后的转速信号，通过PID控制单元，计算智能反馈球阀开度信号，阀门开度信号通过信号转换D/A，并通过功率放大器放大后交予球阀执行机构执行，改变阀门开度调节驱动涡轮的进气流量，改变转子-轴承系统的转速。
具体来说，主要分为静态特性实验和动态特性实验两部分，静态特性实验：鼓风机1产生高压气体，鼓风机供气流量由变频器2改变交流电频率所决定。高压气体通过智能反馈调节阀3调节气体流量后再经过喷嘴结构加速驱动涡轮4转动，阀门开度通过图3所示测试界面预先设定好。与此同时，阀门开度通过工控机9采集后实时反馈至PC机10；受涡轮带动转子-轴承系统5旋转，转子-轴承系统5同时带动加载轮盘7、同轴的转速传感器 6旋转；加载轮盘7用于限制转子-轴承系统5的转速过高，使转子-轴承系统5工作稳定；转速传感器6采集的脉冲信号经过转换后转换为转速信号并通过工控机9采集处理信号并传递给PC机10，由此完成了在特定阀门开度下对应的转速变化曲线的绘制，即测试系统的静态特性。
动态特性实验：基本原理与静态特性实验相似，但实验开始前，预先设定目标转速，系统自动调控阀门开度变化，在PID参数的控制下，使得涡轮-转子系统最终稳定在目标转速附近，即完成动态特性实验。另外，实验过程中可调整PID参数的数值，以此观查不同PID参数对调节系统性能的影响。
本实施例的汽轮机转速调节系统模拟实验装置及其方法，很好地模拟了汽轮机等旋转机械的转速调节过程，不但能够实现转速调节过程中的静态特性测试，还可以实现调节系统的动态特性测试。另外，本调节系统基于PID控制思想，在实验过程中，可通过调节比例（P）、积分（I）以及微分（D）参数，来比较不同控制参数对调节过程的影响。本发明所述的一种汽轮机转速调节系统模拟实验台，其主要实验功能包括：汽轮机转速调节系统的建模、汽轮机转速调节系统的静态特性、动态特性实验、汽轮机转速调节系统性能分析、汽轮机报警和超速保护实验。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.汽轮机转速调节系统模拟实验装置，其特征在于：包括鼓风机、变频器、智能反馈调节阀、驱动涡轮、转子-轴承系统、转速传感器、加载轮盘、支承装置、工控机及PC机；
所述的工控机包括前置放大器、信号采集A/D、控制单元、信号转换D/A、功率放大器；
所述的鼓风机上设置变频器，鼓风机通过气动软管与智能反馈调节阀相连接，智能反馈调节阀连接至驱动涡轮的进气蜗壳；
所述的汽轮机转速调节系统模拟实验装置中驱动涡轮、转子-轴承系统、转速传感器、加载轮盘同轴依次连接；
所述转子-轴承系统两端设置支承装置；
所述的智能反馈调节阀与转速传感器分别通过信号屏蔽线与工控机内数据采集接线端子板相连接，工控机通过SCSI-II电缆与PC机相连接。
2.根据权利要求1所述的汽轮机转速调节系统模拟实验装置，其特征在于：所述控制单元为PID控制单元。
3.根据权利要求1所述的汽轮机转速调节系统模拟实验装置，其特征在于：所述转子-轴承系统为转轴及其两端安装两个配套的轴承进行支承。
4.根据权利要求1所述的汽轮机转速调节系统模拟实验装置，其特征在于：所述转速传感器为光电编码器。
5.汽轮机转速调节系统模拟实验方法，其特征在于：鼓风机产生高压气体，通过变频器改变交流电频率以控制鼓风机供气流量；高压气体通过智能反馈调节阀调节气体流量后再经过喷嘴结构加速驱动涡轮转动，驱动涡轮带动转子-轴承系统运行，转子-轴承系统在静止或者运行过程中，与转子-轴承系统同轴转动的转速传感器采集转速信号，经过前置放大器放大后将信号传递给信号采集A/D，处理后的转速信号，通过控制单元计算智能反馈球阀开度信号，阀门开度信号通过信号转换D/A，并通过功率放大器放大后交予球阀执行机构执行，改变阀门开度调节驱动涡轮的进气流量，改变转子-轴承系统的转速。
6.根据权利要求5所述的汽轮机转速调节系统模拟实验方法，其特征在于：所述的控制单元为PID控制单元。
7.根据权利要求5所述的汽轮机转速调节系统模拟实验方法，其特征在于：所述模拟实验方法包括静态特性实验方法，鼓风机产生高压气体，通过变频器改变交流电频率以控制鼓风机供气流量；高压气体通过智能反馈调节阀调节气体流量后再经过喷嘴结构加速驱动涡轮转动，预先设定阀门开度；阀门开度通过工控机采集后实时反馈至PC机；受涡轮带动转子-轴承系统旋转，转子-轴承系统同时带动加载轮盘、同轴的转速传感器旋转；加载轮盘限制转子-轴承系统的转速过高；转速传感器采集的脉冲信号经过转换后转换为转速信号并通过工控机采集处理信号并传递给PC机，获得测试系统的静态特性。
8.根据权利要求7所述的汽轮机转速调节系统模拟实验方法，其特征在于：所述静态特性实验方法还包括在特定阀门开度下对应的转速变化曲线的绘制。
9.根据权利要求5所述的汽轮机转速调节系统模拟实验方法，其特征在于：所述模拟实验方法还包括动态特性实验方法，实验开始前，预先设定目标转速，系统自动调控阀门开度变化，通过工控机的控制单元控制，使得涡轮-转子系统最终稳定在目标转速附近，完成动态特性实验。
10.根据权利要求9所述的汽轮机转速调节系统模拟实验方法，其特征在于：所述动态特性实验方法的实验过程中可调整PID参数的数值，以此观察不同PID参数对调节系统性能的影响。
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