CN110767047B - 一种热电机组多轴模拟系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种热电机组多轴模拟系统，包括至少一个热电机组多轴模拟单元，热电机组多轴模拟单元包括：可调稳压直流电源、变阻器、调速控制单元、若干个串联直流电动机和若干个发电机；若干个串联直流电动机用于模拟汽轮机；每个直流电动机分别与对应的发电机连接，每个直流电动机分别拖动对应的同步发电机进行发电；可调稳压直流电源用于为直流电动机提供稳定直流电压，并维持直流回路电压稳定，可调稳压直流电源用于等效蒸汽母管压力，模拟锅炉系统；变阻器用于模拟汽轮机高压调整阀门，调节直流回路电流。本发明提供的模拟系统适合模拟母管制热电机组，具有操作灵活、安全可靠、易实现等优点，且避免了多台机组轴系过长难于制造的问题。
Description
技术领域
本发明涉及能源动力技术领域，具体涉及一种热电机组多轴模拟系统。
背景技术
热力发电主要是通过电站锅炉或者核反应堆产生高温高压蒸汽，进入蒸汽汽轮机后做功，产生动力旋转，从而驱动同步发电机组发电。
目前，尚无研究热电机组的动态模拟方法和装置，无法精确研究事故状态下热电机组的动态特性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种热电机组多轴模拟系统。
具体地，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种热电机组多轴模拟系统，包括：至少一个热电机组多轴模拟单元，所述热电机组多轴模拟单元包括：可调稳压直流电源、变阻器、调速控制单元、若干个串联直流电动机和若干个发电机；所述若干个串联直流电动机用于模拟汽轮机，若汽轮机有N-1级抽汽，则设置有N个直流电动机，且N个直流电动机电枢串联，N≥1；每个直流电动机分别与对应的发电机连接，每个直流电动机分别拖动对应的同步发电机进行发电，所述若干个发电机输出交流侧并联运行；
所述可调稳压直流电源与所述变阻器连接，所述变阻器与所述若干个串联的直流电动机连接；
其中，所述可调稳压直流电源用于提供稳定直流电压输出给所述若干个串联的直流电动机，并维持直流回路电压稳定，所述可调稳压直流电源用于等效蒸汽母管压力，模拟锅炉系统；
所述变阻器设置在所述可调稳压直流电源与所述若干个串联的直流电动机之间，用于模拟汽轮机高压调整阀门，调节直流回路电流；
所述调速控制单元与所述变阻器连接，用于根据所述直流电动机转速以及所述发电机的输出功率改变所述变阻器的阻值。
进一步地，所述热电机组多轴模拟系统，包括M个热电机组多轴模拟单元，M≥2。
进一步地，所述热电机组多轴模拟单元包括三个串联的直流电动机，分别用于模拟汽轮机高、中、低压缸。
进一步地，所述可调稳压直流电源用于模拟锅炉系统产生蒸汽，三个直流电动机电枢串联，模拟蒸汽依次通过高、中、低压汽缸；其中，变阻器阻值变化，电枢电流变化，直流电动机出力变化；变阻器阻值变化模拟汽轮机高压调整阀门开度变化，蒸汽量发生变化，汽机做功变化。
进一步地，所述可调稳压直流电源为可控整流器。
进一步地，所述可控整流器做功为：
P1＝idcvdc
其中，P1为可控整流器做功功率，idc为可控整流器电流，vdc为可控整流器直流电压。
进一步地，所述汽轮机做功功率为：
P2＝ΔhQ
其中，P2为汽轮机做功功率，Δh为汽轮机做功焓降，Q为蒸汽流量。
进一步地，所述直流电动机的转矩特性为：
U＝E1+IRa1+E2+IRa2+IR0
E＝Ceφn
T＝CTφI
P3＝TΩ
其中，U为可控整流器输出电压，E为直流电动机电枢电动势，Ra为电枢回路电阻，R0为可调电阻，I为电枢电流，Ce为电动势常数，φ为气隙磁通，n为直流电动机转速，T为直流电动机电磁转矩，P3为直流电动机做功功率，Ω为直流电动机角速度。
进一步地，所述系统还包括：励磁单元；所述励磁单元与所有的发电机连接，用于调节所有的发电机的输出电压。
进一步地，所述可调稳压直流电源提供的稳定直流电压与蒸汽母管压力成比例。
由上述技术方案可知，本发明提供的热电机组多轴模拟系统，采用直流电路模拟蒸汽系统，采用多台直流电机分别模拟汽轮机各气缸，采用可调稳压直流电源模拟锅炉，其中，所述可调电源提供稳定直流电压，等效蒸汽母管压力；所述可调电源输出直流电压通过所述变阻器提供多台串联直流电动机的电源，多台电枢串联的直流电动机模拟蒸汽轮机，分别拖动同步发电机发电，所述同步发电机组输出交流侧并联运行；所述变阻器受所述调速控制单元控制，根据转速和所有发电机输出电功率的和改变阻值，模拟汽轮机高压调整阀门。本发明提供的热电机组多轴模拟系统适合模拟母管制热电机组，具有操作灵活、安全可靠、易实现等优点，且避免了多台机组轴系过长难于制造的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本实施例提供的热电机组多轴模拟系统的结构示意图；
图2示出了本实施例提供的热电机组多轴模拟系统的等效电路示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种热电机组多轴模拟系统，参见图1，该热电机组多轴模拟系统包括至少一个热电机组多轴模拟单元(图1示出了只包括一个热电机组多轴模拟单元的情况)，所述热电机组多轴模拟单元包括：可调稳压直流电源、变阻器、调速控制单元、若干个串联直流电动机和若干个发电机；所述若干个串联直流电动机用于模拟汽轮机，若汽轮机有N-1级抽汽，则设置有N个直流电动机，且N个直流电动机电枢串联，N≥1；每个直流电动机分别与对应的发电机连接，每个直流电动机分别拖动对应的同步发电机进行发电，所述若干个发电机输出交流侧并联运行；
所述可调稳压直流电源与所述变阻器的第一端连接，所述变阻器的第二端与所述若干个串联的直流电动机连接；
其中，所述可调稳压直流电源用于提供稳定直流电压输出给所述若干个串联的直流电动机，并维持直流回路电压稳定，所述可调稳压直流电源用于等效蒸汽母管压力，模拟锅炉系统；可以理解的是，所述可调稳压直流电源提供的稳定直流电压与蒸汽母管压力成比例；
所述变阻器设置在所述可调稳压直流电源与所述若干个串联的直流电动机之间，用于模拟汽轮机高压调整阀门，调节直流回路电流；
所述调速控制单元与所述变阻器连接，用于根据所述直流电动机转速以及所有发电机输出功率之和改变所述变阻器的阻值。
可以理解的是，本实施例提供的热电机组多轴模拟系统实际上为一种汽轮机等效实验模型。参见图1所示的结构示意图，本实施例提供的热电机组多轴模拟系统包括：可调稳压直流电源(可采用整流器实现)、变阻器、多台直流电动机和多台发电机；其中，所述整流器与变阻器连接；所述变阻器与直流电动机电枢连接；所述直流电动机之间电枢串联；所述直流多台直流电动机分别与交流发电机同轴。所述整流器将交流电转变成直流电后传输给直流电动机，并维持直流回路电压稳定。所述变阻器与所述直流电动机电枢连接，模拟汽轮机高调门，调节回路电流。所述直流电动机并列排列，模拟汽轮机各级汽缸，若汽轮机有N-1级抽汽，则应安排N台直流电动机，并将其电枢串联。
需要说明的是，本实施例提供的热电机组多轴模拟系统，采用直流电路模拟蒸汽系统，具体采用可调稳压直流电源模拟锅炉，采用多台直流电机分别模拟汽轮机各气缸，采用变阻器模拟汽轮机高压调整阀门。其中，所述可调电源提供稳定直流电压，等效蒸汽母管压力；所述可调电源输出直流电压通过所述变阻器提供多台串联直流电动机的电源，多台电枢串联的直流电动机模拟蒸汽轮机，分别拖动同步发电机发电，所述同步发电机组输出交流侧并联运行，以形成热电机组多轴工作方式。可见，本实施例提供的热电机组多轴模拟系统适合模拟母管制热电机组。此外，变阻器受调速控制单元控制，根据转速和所有发电机输出电功率的和改变阻值，模拟汽轮机高压调整阀门。
参见图2所示的等效电路图，每个直流电动机分别与对应的发电机连接，每个直流电动机分别拖动对应的同步发电机进行发电，所述若干个发电机输出交流侧并联运行；也即每个直流电动机分别与对应的发电机同轴连接(应将该连接方式同多个串联直流电动机与同一个发电机同轴连接的方案区别开)。这种连接方式可以避免多台机组轴系过长难于制造的问题。
需要说明的是，图1所示的可调稳压直流电源用于模拟锅炉系统。实际锅炉过热器出口蒸汽经联箱引出，经隔离阀汇入母管，一台锅炉或多台锅炉控制母管压力恒定。可调稳压直流电源并联模拟锅炉系统蒸汽压力变化，一台可调稳压直流电源或多台可调稳压直流电源维持并联母线压力恒定，模拟母管压力恒定。
需要说明的是，图1所示的变阻器用于模拟汽轮机高压调整阀门。变阻器为可调电阻，具备实时调节功能，所述变阻器受所述调速单元控制，根据转速和输出电功率改变阻值，控制汽轮机高压调整阀门。汽轮机进汽量增大，发电机发电量增加时，可调电阻值变小，等效阀门开度变大，汽轮机进汽减少时，操作相反。
需要说明的是，图1所示的直流电动机用于模拟蒸汽轮机汽缸。多台直流电动机电枢串联，模拟汽轮机高、中、低压缸。变阻器阻值变化，电枢电流变化，直流电动机出力变化；模拟主汽调门开度变化，蒸汽量发生变化，汽机做功变化。直流电动机分别与发电机连接，可以避免多机同轴的轴系过长问题。在控制中，转速信号取自其中一台发电机，两台交流发电机电气距离很近，可以认为功角相同，转速相同。
需要说明的是，图1所示的发电机，与直流电动机同轴连接，用于模拟实际电机的电磁过程和机电过程。
在一种优选实施方式中，所述可调稳压直流电源采用可控整流器实现。所述可控整流器模拟锅炉系统，实际锅炉过热器出口蒸汽经联箱引出，经隔离阀汇入母管，一台锅炉或多台锅炉控制母管压力恒定。整流器直流电压并联模拟锅炉系统蒸汽压力变化，一台整流器或多台整流器维持并联母线压力恒定，模拟母管压力恒定。
其中，可控整流器做功如下：
P＝idcvdc 公式1
其中，P为整流器做功功率，idc为整流器电流，vdc为整流器直流电压。
其中，汽轮机做功公式如下：
P＝ΔhQ 公式2
其中，P为汽轮机做功功率，Δh为汽机做功焓降，Q为蒸汽流量。
其中，直流电动机转矩特性如下：
U＝E1+IRa1+E2+IRa2+IR0 公式3
E＝Ceφn 公式4
T＝CTφI 公式6
P＝TΩ 公式7
其中，U为整流器输出电压，E为电动机电枢电动势，Ra为电枢回路电阻，R0为可调电阻，I为电枢电流，Ce为电动势常数，φ为气隙磁通，n为直流电机转速，T为直流电机电磁转矩，P3为直流电动机做功功率，Ω为直流电动机角速度。
可以理解的是，整流器直流电压正比于锅炉主汽压力，由公式1，通过调节电流idc，可维持直流电压恒定，等效为锅炉主汽压力恒定。
可以理解的是，如增大汽轮机调节阀门开度，由公式2，增大蒸汽流量，增大汽轮机做功量。
可以理解的是，直流电动机改变变阻器阻值，由公式3、4，转速不变，E不变，I变大，由公式6、7，直流电动机转矩变大，功率增加。或由公式5，改变变阻器电阻，电动机两端电压增大，转矩增加，功率增加。
需要说明的是，多台交流发电机电气距离很近，可以近似认为转速相同，取其中任一台发电机转速，不影响动态模拟效果。
根据上面描述可知，整流器直流压力恒定模拟锅炉主汽压力恒定；直流电动机电枢电流变化，功率变化，模拟汽轮机流量变化，功率变化；此种热电机组模拟方法及系统可以较好模拟实际热电机组。
由上面描述可知，本实施例提供的热电机组多轴模拟系统，采用直流电路模拟蒸汽系统，采用多台直流电机分别模拟汽轮机各气缸，采用可调稳压直流电源模拟锅炉，其中，所述可调电源提供稳定直流电压，等效蒸汽母管压力；所述可调电源输出直流电压通过所述变阻器提供多台串联直流电动机的电源，多台电枢串联的直流电动机模拟蒸汽轮机，分别拖动同步发电机发电，所述同步发电机组输出交流侧并联运行；所述变阻器受所述调速控制单元控制，根据转速和所有发电机输出电功率的和改变阻值，模拟汽轮机高压调整阀门。可见，本实施例提供的热电机组多轴模拟系统适合模拟母管制热电机组，具有操作灵活、安全可靠、易实现等优点，且避免了多台机组轴系过长难于制造的问题。
在一种优选实施方式中，所述热电机组多轴模拟系统，包括M个热电机组多轴模拟单元，M≥2。如M取值3、4、5等。
在一种优选实施方式中，所述系统还包括：励磁单元；所述励磁单元与所有的发电机连接，用于调节所有的发电机的输出电压。
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种热电机组多轴模拟系统，其特征在于，包括至少一个热电机组多轴模拟单元，所述热电机组多轴模拟单元包括：可调稳压直流电源、变阻器、调速控制单元、若干个串联直流电动机和若干个发电机；所述若干个串联直流电动机用于模拟汽轮机，若汽轮机有N-1级抽汽，则设置有N个直流电动机，且N个直流电动机电枢串联，N≥1；每个直流电动机分别与对应的发电机连接，每个直流电动机分别拖动对应的同步发电机进行发电，所述若干个发电机输出交流侧并联运行；
所述可调稳压直流电源与所述变阻器连接，所述变阻器与所述若干个串联的直流电动机连接；
其中，所述可调稳压直流电源用于提供稳定直流电压输出给所述若干个串联的直流电动机，并维持直流回路电压稳定，所述可调稳压直流电源用于等效蒸汽母管压力，模拟锅炉系统；
所述变阻器设置在所述可调稳压直流电源与所述若干个串联的直流电动机之间，用于模拟汽轮机高压调整阀门，调节直流回路电流；
所述调速控制单元与所述变阻器连接，用于根据所述直流电动机转速以及所有发电机输出功率之和改变所述变阻器的阻值。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热电机组多轴模拟系统，包括M个热电机组多轴模拟单元，M≥2。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热电机组多轴模拟单元包括三个串联的直流电动机，分别用于模拟汽轮机高、中、低压缸。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述可调稳压直流电源用于模拟锅炉系统产生蒸汽，三个直流电动机电枢串联，模拟蒸汽依次通过高、中、低压汽缸；其中，变阻器阻值变化，电枢电流变化，直流电动机出力变化；变阻器阻值变化模拟汽轮机高压调整阀门开度变化，蒸汽量发生变化，汽轮机做功变化。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可调稳压直流电源为可控整流器。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述可控整流器做功为：
P1＝idcvdc
其中，P1为可控整流器做功功率，idc为可控整流器电流，vdc为可控整流器直流电压。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述汽轮机做功功率为：
P2＝ΔhQ
其中，P2为汽轮机做功功率，Δh为汽轮机做功焓降，Q为蒸汽流量。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述直流电动机的转矩特性为：
U＝E1+IRa1+E2+IRa2+IR0
E＝Ceφn
T＝CTφI
P3＝TΩ
其中，U为可控整流器输出电压，E1～E2为模拟气缸1、2直流电动机电枢电动势，Ea1～Ea2为模拟气缸1、2直流电动机电枢回路电阻，R0为可调电阻，I为电枢电流，Ce为电动势常数，φ为气隙磁通，n为直流电动机转速，T为直流电动机电磁转矩，P3为直流电动机做功功率，Ω为直流电动机角速度，CT为转矩常数。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：励磁单元；所述励磁单元与所有的发电机连接，用于调节所有的发电机的输出电压。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可调稳压直流电源提供的稳定直流电压与蒸汽母管压力成比例。
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