CN110879541B - 一种高压直流阀冷系统暂态离线仿真系统 - Google Patents

一种高压直流阀冷系统暂态离线仿真系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压直流阀冷系统暂态离线仿真系统，包括：仿真设备管理和控制模块，其预先搭建阀冷系统的设备元件，并可根据所输入的设备元件参数来调整设备元件状态，以使得所搭建的仿真模型与实际工程保持一致；离线暂态仿真模块，其用于离线搭建和操作仿真模型；数据信号输入模块，其用于将实际阀冷工程的运行信号以及需要仿真的量输入至离线暂态仿真模块中，以得到运行仿真模型；故障设置模块，其用于在运行仿真模型中设置阀冷系统工艺流程中不同结点的各类故障；仿真保护模块，其用于将运行仿真模型的运行参数和设定好的对应运行参数的保护定值整定参数进行比对。

Description

一种高压直流阀冷系统暂态离线仿真系统
技术领域
本发明涉及仿真系统，具体涉及一种高压直流阀冷系统暂态离线仿真系统。
背景技术
换流阀水冷却系统(以下简称阀冷系统)的安全稳定运行是换流阀，乃至整个高压直流输电工程安全稳定运行的必要前提和坚实基础。目前国内阀冷系统的保护定值均为换流阀生产厂家提供的经验值，缺乏理论依据，且无定值整定的计算和核准方法，这种保护定值的粗放式设定方式导致阀冷系统各类保护间无配合关系，系统故障频发。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种高压直流阀冷系统暂态离线仿真系统，以解决当下阀冷系统无法离线仿真的难题。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种高压直流阀冷系统暂态离线仿真系统，包括：
仿真设备管理和控制模块，其预先搭建阀冷系统的设备元件，并可根据所输入的设备元件参数来调整设备元件状态，以使得所搭建的仿真模型与实际工程保持一致；
离线暂态仿真模块，其用于离线搭建和操作仿真模型；
数据信号输入模块，其用于将实际工程IO板卡中的采集到的实际阀冷工程运行信号或者需要仿真的量输入至离线暂态仿真模块中，以得到模拟实际工程阀冷系统运行的仿真模型，简称为运行仿真模型；
故障设置模块，其用于在运行仿真模型中设置阀冷系统工艺流程中不同结点的各类故障；
仿真保护模块，其用于将运行仿真模型的运行参数和设定好的对应运行参数的保护定值整定参数进行比对，以判断故障类型，并启动对应的保护动作。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
本防真系统通过搭建高压直流阀冷系统各主设备模型，经过对主设备模型测试后搭建阀冷系统整体仿真模型，并结合阀冷控制保护策略和保护定值构建仿真模型的控制系统，实现对阀冷系统各项控制保护的模拟和保护。
附图说明
图1为本发明实施例提供的高压直流阀冷系统暂态离线仿真系统的组成示意图；
图2为换流站阀冷系统的工艺流程图；
图3为基于图2所搭建的系统仿真模型图；
图4为冷却塔详细模型图；
图5为换流阀塔详细模型图；
图6为主循环泵详细控制模型图；
图7为电加热器详细控制模型图；
图8为喷淋泵详细控制模型图；
图9a为冷却水流量报警控制仿真模型；
图9b为去离子水流量报警控制仿真模型；
图9c为进阀压力报警控制仿真模型；
图9d为进阀温度报警控制仿真模型；
图9e为出阀温度报警控制仿真模型；
图9f为出阀压力报警控制仿真模型；
图9g为电加热器温度报警控制仿真模型；
图9h为高位水箱液位报警控制仿真模型；
图9i补水罐液位报警控制仿真模型；
图9j为冷却水导电率报警控制仿真模型；
图9k为去离子水导电率报警控制仿真模型；
图10a为进阀温度超高跳闸控制仿真模型；
图10b为进阀温度仪表均故障且出阀温度超高跳闸控制仿真模型；
图10c为进阀压力超低且流量低控制仿真模型；
图10d为冷却水流量超低且进阀压力高跳闸控制仿真模型；
图10e为高位水箱液位超低跳闸控制仿真模型；
图10f为冷却水电导率超高跳闸控制仿真模型；
图10g为冷却水电导率仪表均故障跳闸控制仿真模型；
图10h为高位水箱液位仪表均故障跳闸控制仿真模型；
图10i为进阀压力仪表均故障跳闸控制仿真模型；
图中：1、仿真设备管理和控制模；2、离线暂态仿真模块；3、数据信号输入模块；4、故障设置模块；5、仿真保护模块；6、报文录波模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
参阅图1所示，本实施例提供高压直流阀冷系统暂态离线仿真系统主要包括仿真设备管理和控制模1、离线暂态仿真模块2、数据信号输入模块3、故障设置模块4以及仿真保护模块5。
其中，该仿真设备管理和控制模块1可以通过手动输入系统参数和设备模型元件(信号源和信号处理元件、热流体元件、热元件和机械元件，该模块已预先搭建了所有阀冷系统的设备模型，可以直接在模块中直接添加，使仿真模型与实际工程保持一致。
离线暂态仿真模块2，其用于离线搭建和操作仿真模型；也就是说，通过离线暂态仿真模块可以根据实际工程很方便地从仿真设备管理和控制模块开发的元件库中添加相应的设备和传感器，改变管路模型，模拟数据根据实际工程进行计算，可以达到一比一的比例仿真。该数据信号输入模块3其用于将实际工程IO板卡中的采集到的实际阀冷工程运行信号或者需要仿真的量，以得到模拟实际工程阀冷系统运行的仿真模型，简称为运行仿真模型；所述仿真的量指的是阀冷系统所涉及到的温度、流量、压力、液位和电导率五类(阀冷系统全部模拟量)模拟量；也就是说，通过该暂态离线仿真模型试验运行状态可根据设定参数计算得到，摆状态的时间缩短至毫秒级，可以更方便地随时进行仿真试验，模拟实际工程阀冷系统运行。同时也可手动控制单独设备启停、切换等工程中的手动操作。换言之，系统数据信号输入方式包括两种方式：1)通过实际工程IO板卡中的采集到的实际阀冷工程运行信号从以太网通讯装置输入仿真系统；2)通过手动输入需要仿真的量从以太网或直接输入仿真系统。
故障设置模块4则用于在运行仿真模型中设置阀冷系统工艺流程中不同结点的各类故障；也就是说，暂态离线仿真模型可以通过修改参数很方便地进行故障运行模拟，对于阀冷系统事故分析是一种高效的计算模拟工具
仿真保护模块5则用于将运行仿真模型的运行参数和设定好的对应运行参数的保护定值整定参数进行比对，以判断故障类型，并启动对应的保护动作，从而能够实现对阀冷系统各项控制保护的模拟，并可结合换流站现场运行数据对模型进行校正。
由此可见，本防真系统通过搭建高压直流阀冷系统各主设备模型，经过对主设备模型测试后搭建阀冷系统整体仿真模型，并结合阀冷控制保护策略和保护定值构建仿真模型的控制系统，实现对阀冷系统各项控制保护的模拟和保护。
作为上述高压直流阀冷系统暂态离线仿真系统一种优选，该系统还包括报文录波模块6，其用于输出仿真保护模块所判断出的故障类型所对应的告警、跳闸信号报文和数字量/模拟量波形。也就是说，本系统还可以直接输出故障报文，输出故障的类型以及所发生故障的地方。
具体地，上述运行仿真模型的运行参数包括温度类、流量类、压力类、液位类和电导率五类参数，并将该五类参数与设定好的对应运行保护定值整定参数进行比对，以判断出系统的故障类型，并启动对应的保护动作。
温度类保护定值整定
(1)温度类参数主要包括进阀温度和出阀温度，进阀温度为阀冷系统主要运行参数，包含报警/跳闸保护；出阀温度主要含报警保护，不进行跳闸保护；
(2)温度保护定值应包括：进阀温度高报警定值、进阀温度超高报警定值、进阀温度超高跳闸定值、进阀温度低报警定值、出阀温度高报警定值、出阀温度超高报警定值等；
(3)进阀温度超高保护定值可根据以下公式进行计算，并在此在计算值基础上取整后留有1-2℃安全裕度；
Figure RE-GDA0002357486790000041
式中，
T0——水路并联时取冷却介质进阀温度，水路串联时取进出水平均温度Tmean，℃；
Tj’——晶闸管最大设计结温，90℃；；
PTH——晶闸管损耗，kW；
PTH,dyn——晶闸管动态损耗，kW；
Id——2h过负荷直流电流，kA；
U0——晶闸管的平均通态电压降中与电流无关的部分(简称门槛电压)，V；
R0——晶闸管的平均通态伏安特性中的斜率电阻(简称斜率电阻)，mΩ；
RTH——晶闸管结到散热器外壳和由散热器外壳到冷却水总的热阻，℃/kW。
ZTH(t0)——瞬态热阻，稳态运行时取零，℃/kW。
(4)进阀温度高报警定值比进阀温度超高报警/跳闸保护定值低2～3℃；
(5)进阀温度高报警及跳闸延时时间应不大于3s，高报警延时时间应小于超高跳闸延时时间，进阀温度高报警延时时间建议取2s，进阀温度超高跳闸延时时间建议3s；
(6)进阀温度低报警为避免换流阀结冻风险，通常取冰点以上5-10℃作为安全裕度，因此进阀温度低报警定值建议取5℃；
(7)进阀温度低报警延时时间应不大于3s，进阀温度低报警延时时间建议取2s；
(8)出阀温度保护定值根据以下公式进行计算，结合进阀温度高报警和超高报警定值，确定出阀温度高报警及超高报警保护定值，并在此计算结果向下取整后留有1～2℃安全裕度；
Figure RE-GDA0002357486790000051
(9)出阀温度高报警及超高报警延时时间应不大于3s，高报警延时时间应小于超高报警延时时间，出阀温度高报警延时时间建议取2s，出阀温度超高报警延时时间建议取3s；
流量类保护定值整定
(1)流量类参数主要包括冷却水流量、去离子水流量、喷淋水流量，冷却水流量为阀冷系统主要运行参数，包含报警/跳闸保护；去离子水流量和喷淋水流量主要含报警保护，不宜进行跳闸保护；
(2)流量保护定值应包括：冷却水流量低报警定值、冷却水流量超低报警定值、冷却水流量高报警定值、去离子水流量低报警定值、喷淋水流量低报警定值、喷淋水流量高报警定值等；
(3)冷却水流量可根据以下公式进行计算，并在此在计算值基础上取整；
Figure RE-GDA0002357486790000052
(4)冷却水流量低保护定值可结合进出阀温差范围根据(3)公式进行计算，通常情况下，进阀流量低报警定值不低于额定流量的95％。进阀流量超低报警定值不低于额定流量90％；
(5)冷却水流量低及超低保护延时应大于主循环泵切换不成功再切回原泵的时间，建议取10s；
(6)冷却水流量高保护定值可结合进出阀温差范围根据(3)公式进行计算，通常情况下，冷却水流量超高报警定值不高于额定流量的105％；
(7)冷却水流量高时对换流阀散热影响略小，冷却水流量高报警延时时长大于流量低报警延时时长，建议取60s；
(8)去离子回路设计时，应保证去离子回路具备在2h～3h内将内冷却水循环一遍的能力，宜按照主回路流量的2％-5％进行选取。
(9)去离子回路流量低报警用于提醒清洗滤芯，为避免误动，延时时间建议为30s；
(10)喷淋水额定流量根据阀冷厂家提供的冷却塔技术参数确定，喷淋水流量高报警定值不宜高于喷淋水额定流量的120％，喷淋水流量低报警定值不宜高于喷淋水额定流量的80％；
(11)喷淋水流量保护延时应大于喷淋泵切换不成功再切回原泵的时间，通常为10s。
压力类保护定值整定
(1)压力类参数主要包括进阀压力、出阀压力、膨胀水箱压力，进阀压力、出阀压力、膨胀罐压力均为阀冷系统主要运行参数，均包含报警保护；其中进阀压力、出阀压力结合冷却水流量进行跳闸保护；
(2)压力保护定值应包括：进阀压力高报警定值、进阀压力超高报警定值、进阀压力低报警定值、进阀压力超低报警定值、出阀压力高报警定值、出阀压力低报警定值、出阀压力超低报警定值、膨胀水箱压力高报警定值、膨胀水箱压力超高报警定值、膨胀水箱压力低报警定值和膨胀水箱压力超低报警定值等；
(3)进阀压力与循环泵设备特性、进阀前管路、稳压罐压力有关，进阀流量应控制在不同的范围，可根据以下公式，查询不同流量下泵的曲线、泵出口至进阀管路压力损失，即可得到允许进阀流量下进阀压力的波动范围，在此基础上考虑一定余量并取整即可确定进阀压力保护定值；
Figure RE-GDA0002357486790000061
式中，
Pin——进阀压力，MPa；
Pp——泵出口压力，MPa；
ΔP1——泵出口至进阀管路压力损失，MPa；
Ps——稳压罐压力，MPa；
P1——工况流量下泵出力，MPa；
Pf1——泵出口至进阀管路沿程水力损失，MPa；
Pj1——泵出口至进阀管路局部水力损失，MPa；
(4)阀冷系统压力建立所需时间在1s左右，故进阀压力低报警、进阀压力超低报警、进阀压力高报警和进阀压力超高报警延时建议取2s；
(5)出阀压力与循环泵设备特性、进阀前管路、阀塔压损、稳压罐压力有关，进阀流量应控制在不同的范围，同理也可采用(3)公式，查询不同流量下泵的曲线、泵出口至进阀管路压力损失、阀塔损失，即可得到允许进阀流量下出阀压力的波动范围，在此基础上考虑一定余量并取整即可确定出阀压力保护定值；
(6)阀冷系统压力建立所需时间在1s左右，故出阀压力保护低报警、出阀压力超低报警、出阀压力高报警延时建议取2s；
(7)结合阀厅最高处管路距主循环泵入口处高度差形成的压差作为膨胀水箱压力控制目标值，可根据以下公式计算膨胀水箱目标压力值；
Ps＝ρg(Z2-Z1)
式中，
Z1——泵入口距地面高度，m；
Z2——阀厅管路最高点距地面高度，m；
(8)在膨胀水箱目标压力值基础上上下分别留有0.02-0.05MPa左右的范围用于排气电磁阀启/闭和补气电磁阀启/闭，以避免排气和补气电磁阀频繁动作，在排气电磁阀开启定值基础上向上留有0.02-0.05MPa左右确定为膨胀水箱(若有)压力高报警定值和膨胀水箱(若有)压力超高报警定值；在补气电磁阀开启定值基础上向下留有0.02-0.05MPa左右确定为膨胀水箱(若有)压力低报警定值和膨胀水箱(若有)压力超低报警定值；
(9)为防止补气和排气过程中电磁阀关闭对膨胀水箱压力冲击性的影响，结合工程经验，膨胀水箱压力保护延时建议为10s。
液位类保护定值整定
(1)液位类参数主要包括高位水箱液位、膨胀水箱液位、补水罐液位，高位水箱液位、膨胀水箱液位为阀冷系统主要运行参数，包含报警/跳闸保护；补水罐液位主要含报警保护；
(2)液位保护定值应包括：高位水箱液位低报警定值、高位水箱液位超低报警定值、高位水箱液位高报警定值、膨胀水箱液位低报警定值、膨胀水箱液位超低报警定值、膨胀水箱液位高报警定值、补水罐液位低报警定值等；
(3)高位水箱与膨胀水箱保护定值设定原则一致，均需保证无论何种稳定下均不出现高位水箱内满水或者无水的现象。
(4)可根据以下公式可计算得到因温度变化引起的膨胀水箱液位变化△H，为降低高位水箱液位不足或液位过高对系统造成的影响，并留有足够的处理时间，从高位水箱50％液位开始，分别向上和向下取值，其范围作为高位水箱的正常液位变化范围(＞△H)；在此基础上取5％左右的液位余量，作为高位水箱的液位高报警和液位低报警定值；
Figure RE-GDA0002357486790000081
式中：
Ht1——温度为t1时膨胀水箱液位，m；
Ht2——温度为t2时膨胀水箱液位，m；
m——闭式系统内冷水质量，kg；
ρt1——温度为t1时介质密度，kg/m3；
ρt2——温度为t2时介质密度，kg/m3；
D——膨胀罐内径，m；
(5)膨胀水箱液位低报警定值宜为膨胀水箱液位的30％，膨胀水箱液位超低报警定值宜为膨胀水箱也液位的10％；膨胀水箱液位高报警定值宜为膨胀水箱也液位的80％；
(6)为防止补水泵启停对高位水箱液位冲击性的影响，高位水箱液位保护延时建议取 10s；
(7)补水罐液位低报警定值宜为补水罐液位的20％，延时时间建议为5s。
电导率类保护定值整定
(1)电导率类参数主要包括冷却水电导率、去离子水电导率、喷淋水电导率，冷却水电导率为阀冷系统主要运行参数，包含报警/跳闸保护；去离子水电导率和喷淋水电导率主要含报警保护，不宜进行跳闸保护；
(2)电导率保护定值应包括：冷却水电导率高报警定值、冷却水电导率超高报警定值、去离子水电导率高报警定值、喷淋水电导率高报警定值等；
(3)控制电导率可以通过控制泄漏电流实现，泄漏电流宜控制在4mA以内；泄漏电流可根据以下公式进行计算，并在此在计算值基础上取整；
Figure RE-GDA0002357486790000082
式中：
S——冷却水管内孔面积，mm2；
KH2O——冷却水的电导率，mm2；
L——冷却回路水管长度，mm；
U——晶闸管层间或水冷板冷却水管进/出口电压差，V；
(4)冷却水电导率高报警定值设定应不大于0.5μS/cm(25℃时)、冷却水电导率超高报警定值设定应不大于0.7μS/cm(25℃时)，延时时间建议取30s；
(5)去离子水电导率高报警定值设定应不大于0.3μS/cm(25℃时)、冷却水电导率超高报警定值设定应不大于0.5μS/cm(25℃时)，延时时间建议取30s；
(6)喷淋水电导率设定应不大于4000μS/cm(25℃时)，延时时间建议取300s。
由此可见，根据流体力学理论计算阀冷系统各类定值整定方法和配合关系，相比于现有的根据经验和现场调整的方式设定定值，计算更为精确，同时也提前预防了很多定值类隐患，改善了现有阀冷系统定值无整定计算和核准方法，凭经验设定的现状。
具体地，上述的数据信号输入模块包括手动虚拟信号输入单元和信号采集板卡输入单元；所述手动虚拟信号输入单元用于手动输入需要仿真的量从以太网或直接输入至离线暂态仿真模块；所述信号采集板卡输入单元通过实际工程IO板卡中的采集到的实际阀冷工程运行信号通过以太网输入至离线暂态仿真模块中。当然所输入的数据信号还需要经过中央控制与处理装置进行处理，而该信号采集板卡输入单元的采集板卡则包括数字量输入DI信号采集板卡、数字量输出DO信号采集板卡、模拟量输入AI信号采集板卡和模拟量输入AO信号采集板卡。
如图2所示，为换流站阀冷系统的工艺流程图，其流量分配关系满足：主循环泵流量＝冷却塔盘管流量+未冷却水流量＝流经阀塔的流量+去离子支路流量+检测支路流量。图3为基于该工艺流程并通过本仿真系统的离线暂态仿真模块所搭建的仿真模型图，主要包括设备详细模型部分。其中，该设备详细模型包括闭式蒸发式冷却塔、换流阀塔、主循环泵和补水泵、过滤器和孔板、氮气稳压罐、离子交换器、脱气罐、补水罐、电加热器、阀门，在主系统模型中进行了封装，其中冷却塔和换流阀塔详细模型如下：
(1)冷却塔详细模型如图4所示，在系统模型中封装简化为SYS。
(2)换流阀塔详细模型如图5所示，在系统模型中封装简化为HLF：
仿真系统启动后，首先启动主泵，主泵长期运行，水冷系统其他设备各自根据相关判据自动控制启停。为了进行仿真试验控制，在系统中搭建了各类设备的保护控制模块，包括冗余电源控制、主循环泵控制、电加热器控制、主过滤器压差表控制、内冷补水控制、内冷三通回路控制、喷淋泵控制、冷却塔风机控制，其中，主循环泵、电加热器、喷淋泵控制模型如下：
(1)主循环泵详细控制模型如图6所示，在系统模型中控制P01和P02：
(2)电加热器详细控制模型如图7所示，在系统模型中控制H01和H02：
(3)喷淋泵详细控制模型如图8所示，在系统模型中控制PLB_P01至PLB_P06：
为了使系统具备闭环保护判定功能，在以上系统基础上搭建了仿真保护模块，包括系统报警控制和系统跳闸控制，系统报警控制模型如图9a-9k所示。
系统跳闸控制模型如体10a-10i所示。
系统测试方法和步骤
控制功能的测试的功能和方法如下：
Figure RE-GDA0002357486790000101
Figure RE-GDA0002357486790000111
保护功能的测试的功能可通过报文判定，相关报文如下：
Figure RE-GDA0002357486790000112
Figure RE-GDA0002357486790000121
Figure RE-GDA0002357486790000131
Figure RE-GDA0002357486790000141
故障模拟功能的测试的功能和方法如下：
Figure RE-GDA0002357486790000142
Figure RE-GDA0002357486790000151
通过搭建高压直流阀冷系统各主设备模型，经过对主设备模型测试后搭建阀冷系统整体仿真模型，并结合阀冷控制保护策略和保护定值构建仿真模型的控制系统，实现对阀冷系统各项控制保护的模拟；结合换流站现场运行数据对模型进行校正；然后利用C++编程语言开发具有友好的人机交互界面，界面能够方便地查看阀冷系统水回路各节点的模拟量值，修改水路各设备、管路等参数，能够手动设置故障点，可以用作各工程故障时快速模拟故障点的手段。建立一套适用于阀冷系统的仿真分析模型，实现对阀冷系统重要参数的计算和分析。经过测试，搭建的阀冷系统仿真计算平台有如下功能：
(1)仿真模型包括阀冷系统主要设备及组件几何模型，需能进行结构参数修改和模拟不同输入条件。
(2)仿真模型具备进行阀冷系统整个管路的水力计算、主循环泵的设计计算的功能。
(3)仿真模型可根据阀系统冷却塔运行记录和BAC冷却塔数据库，进行阀冷系统和闭式冷却塔换热过程的热分析(流量、温差、湿球温度等对换热量影响)。
(4)仿真模型具备分析阀冷系统不同水循环物理量及关键参数间的相互影响关系的功能；关键参数包括如流量、压力、液位、温度、主设备、阀门管路、泄漏量、补水量、补气量等。
(5)仿真模型具备根据控制过程(动设备(主泵、风机、喷淋泵)、开关阀等动作过程)、逻辑定值(关键参数保护上下限定值)、保护时序(保护延时时间)、不同保护功能(保护项目)之间历史事件或给定关系，分析控制过程(动设备(主泵、风机、喷淋泵))、逻辑定值(参数保护上下限定值)、保护时序(保护延时时间)、不同保护功能(保护项目)之间动态配合关系的功能。
(6)仿真模型具备仿真控制系统对于阀冷系统各种情况下的全部控制过程(泵、阀门、风机等动设备)，可以实现模拟在各工程故障时(设备状态故障、运行参数超限等等)快速设置故障点的功能。
(7)直流阀冷系统仿真平台具有清晰、友好的人机交互界面。
综上，本实施提供的高压直流阀冷系统暂态离线仿真系统与现有技术相比，具有如下技术优势：
1、根据流体力学理论计算阀冷系统各类定值整定方法和配合关系。相比于现有的根据经验和现场调整的方式设定定值，计算更为精确，同时也提前预防了很多定值类隐患。
2、首次自主搭建仿真模型，创造了一种阀冷系统暂态离线仿真方法。相比于现有的阀冷系统物理模拟在线仿真系统而言，有以下不同：(1)物理模拟仿真系统虽然为实时仿真系统，但通常为等比例缩小模型，管道构造(管径、管道长度、水路形式)、工艺布局、传感器数量和安装位置固定，无法根据实际工程调整；暂态离线仿真模型可以根据实际工程很方便地从本发明开发的元件库中添加相应的设备和传感器，改变管路模型，模拟数据根据实际工程进行计算，可以达到一比一的比例仿真。(2)物理模拟仿真系统启动、到达试验所需状态等耗时较长，特别是温度类定值的试验，通常90％的时间耗费在水温的升降上；暂态离线仿真模型试验状态根据设定参数计算得到，摆状态的时间缩短至毫秒级，可以更方便地随时进行仿真试验和故障模拟。(3)物理模拟仿真系统进行故障模拟试验时模拟实际故障状况难度较大，甚至可能需要破坏部分元件和传感器才能完成一项试验；暂态离线仿真模型可以通过修改参数很方便地进行故障模拟，对于阀冷系统事故分析是一种高效的计算模拟工具。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高压直流阀冷系统暂态离线仿真系统，其特征在于，包括：
仿真设备管理和控制模块，其预先搭建阀冷系统的设备元件，并根据所输入的设备元件参数来调整设备元件状态，以使得所搭建的仿真模型与实际工程保持一致；
离线暂态仿真模块，其用于离线搭建和操作仿真模型；
数据信号输入模块，其用于将实际工程IO板卡中的采集到的实际阀冷工程运行信号或者需要仿真的量输入至离线暂态仿真模块中，以得到模拟实际工程阀冷系统运行的仿真模型，简称为运行仿真模型；
故障设置模块，其用于在运行仿真模型中设置阀冷系统工艺流程中不同结点的各类故障；
仿真保护模块，其用于将运行仿真模型的运行参数和设定好的对应运行参数的保护定值整定参数进行比对，以判断故障类型，并启动对应的保护动作；
所述运行仿真模型的运行参数包括温度类、流量类、压力类、液位类和电导率类五类参数；
将运行仿真模型的温度参数和设定好的温度类保护定值整定参数进行对比，判断出故障类型，并启动对应的保护动作包括：
(1)温度类参数包括进阀温度和出阀温度，进阀温度为阀冷系统主要运行参数，包含报警/跳闸保护；出阀温度含报警保护，不进行跳闸保护；
(2)温度保护定值应包括：进阀温度高报警定值、进阀温度超高报警定值、进阀温度超高跳闸定值、进阀温度低报警定值、出阀温度高报警定值、出阀温度超高报警定值；
(3)进阀温度超高保护定值根据以下公式进行计算，并在此在计算值基础上取整后留有1-2℃安全裕度；
Figure FDA0002691941720000011
式中，
T0——水路并联时取冷却介质进阀温度，水路串联时取进出水平均温度Tmean，℃；
T’j——晶闸管最大设计结温，90℃；
PTH——晶闸管损耗，kW；
PTH,dyn——晶闸管动态损耗，kW；
Id——过负荷直流电流，kA；
U0——晶闸管的平均通态电压降中与电流无关的部分，简称门槛电压，V；
R0——晶闸管的平均通态伏安特性中的斜率电阻，简称斜率电阻，mΩ；
RTH——晶闸管结到散热器外壳和由散热器外壳到冷却水总的热阻，℃/kW；
(4)进阀温度高报警定值比进阀温度超高报警/跳闸保护定值低2～3℃；
(5)进阀温度高报警及跳闸延时时间应不大于3s，高报警延时时间应小于超高跳闸延时时间，进阀温度高报警延时时间取2s，进阀温度超高跳闸延时时间取3s；
(6)进阀温度低报警为避免换流阀结冻风险，取冰点以上5-10℃作为安全裕度，因此进阀温度低报警定值取5℃；
(7)进阀温度低报警延时时间应不大于3s，进阀温度低报警延时时间取2s；
(8)出阀温度保护定值根据以下公式进行计算，结合进阀温度高报警和超高报警定值，确定出阀温度高报警及超高报警保护定值，并在此计算结果向下取整后留有1～2℃安全裕度；
Figure FDA0002691941720000021
出阀温度高报警及超高报警延时时间应不大于3s，高报警延时时间应小于超高报警延时时间，出阀温度高报警延时时间取2s，出阀温度超高报警延时时间取3s。
2.如权利要求1所述的高压直流阀冷系统暂态离线仿真系统，其特征在于，还包括：
报文录波模块，其用于输出仿真保护模块所判断出的故障类型所对应的告警、跳闸信号报文和数字量/模拟量波形。
3.如权利要求1所述的高压直流阀冷系统暂态离线仿真系统，其特征在于，将运行仿真模型的流量参数类和设定好的流量类保护定值整定参数进行对比，判断出故障类型，并启动对应的保护动作包括：
(1)流量类参数包括冷却水流量、去离子水流量、喷淋水流量，冷却水流量为阀冷系统主要运行参数，包含报警/跳闸保护；去离子水流量和喷淋水流量含报警保护，不宜进行跳闸保护；
(2)流量保护定值应包括：冷却水流量低报警定值、冷却水流量超低报警定值、冷却水流量高报警定值、去离子水流量低报警定值、喷淋水流量低报警定值、喷淋水流量高报警定值；
(3)冷却水流量根据以下公式进行计算，并在此在计算值基础上取整；
Figure FDA0002691941720000022
(4)冷却水流量低保护定值结合进出阀温差范围根据上述公式进行计算，进阀流量低报警定值不低于额定流量的95％，进阀流量超低报警定值不低于额定流量90％；
(5)冷却水流量低及超低保护延时应大于主循环泵切换不成功再切回原泵的时间，取10s；
(6)冷却水流量高保护定值结合进出阀温差范围根据上述公式进行计算，冷却水流量超高报警定值不高于额定流量的105％；
(7)冷却水流量高时对换流阀散热影响略小，冷却水流量高报警延时时长大于流量低报警延时时长，取60s；
(8)去离子回路设计时，应保证去离子回路具备在2h～3h内将内冷却水循环一遍的能力，宜按照主回路流量的2％-5％进行选取；
(9)去离子回路流量低报警用于提醒清洗滤芯，为避免误动，延时时间为30s；
(10)喷淋水额定流量根据阀冷厂家提供的冷却塔技术参数确定，喷淋水流量高报警定值不宜高于喷淋水额定流量的120％，喷淋水流量低报警定值不宜高于喷淋水额定流量的80％；
(11)喷淋水流量保护延时应大于喷淋泵切换不成功再切回原泵的时间，为10s。
4.如权利要求1所述的高压直流阀冷系统暂态离线仿真系统，其特征在于，将运行仿真模型的压力类参数和设定好的压力类保护定值整定参数进行对比，判断出故障类型，并启动对应的保护动作包括：
(1)压力类参数包括进阀压力、出阀压力、膨胀水箱压力，进阀压力、出阀压力、膨胀罐压力均为阀冷系统主要运行参数，均包含报警保护；其中进阀压力、出阀压力结合冷却水流量进行跳闸保护；
(2)压力保护定值应包括：进阀压力高报警定值、进阀压力超高报警定值、进阀压力低报警定值、进阀压力超低报警定值、出阀压力高报警定值、出阀压力低报警定值、出阀压力超低报警定值、膨胀水箱压力高报警定值、膨胀水箱压力超高报警定值、膨胀水箱压力低报警定值和膨胀水箱压力超低报警定值；
(3)进阀压力与循环泵设备特性、进阀前管路、稳压罐压力有关，进阀流量应控制在不同的范围，根据以下公式，查询不同流量下泵的曲线、泵出口至进阀管路压力损失，即得到允许进阀流量下进阀压力的波动范围，在此基础上考虑一定余量并取整即可确定进阀压力保护定值；
Figure FDA0002691941720000041
式中，
Pin——进阀压力，MPa；
Pp——泵出口压力，MPa；
ΔP1——泵出口至进阀管路压力损失，MPa；
Ps——稳压罐压力，MPa；
P1——工况流量下泵出力，MPa；
Pf1——泵出口至进阀管路沿程水力损失，MPa；
Pj1——泵出口至进阀管路局部水力损失，MPa；
(4)阀冷系统压力建立所需时间在1s，故进阀压力低报警、进阀压力超低报警、进阀压力高报警和进阀压力超高报警延时取2s；
(5)出阀压力与循环泵设备特性、进阀前管路、阀塔压损、稳压罐压力有关，进阀流量应控制在不同的范围，同理也采用(3)公式，查询不同流量下泵的曲线、泵出口至进阀管路压力损失、阀塔损失，即得到允许进阀流量下出阀压力的波动范围，在此基础上考虑一定余量并取整即确定出阀压力保护定值；
(6)阀冷系统压力建立所需时间在1s左右，故出阀压力保护低报警、出阀压力超低报警、出阀压力高报警延时取2s；
(7)结合阀厅最高处管路距主循环泵入口处高度差形成的压差作为膨胀水箱压力控制目标值，根据以下公式计算膨胀水箱目标压力值；
Ps＝ρg(Z2-Z1)
式中，
Z1——泵入口距地面高度，m；
Z2——阀厅管路最高点距地面高度，m；
(8)在膨胀水箱目标压力值基础上上下分别留有0.02-0.05MPa左右的范围用于排气电磁阀启/闭和补气电磁阀启/闭，以避免排气和补气电磁阀频繁动作，在排气电磁阀开启定值基础上向上留有0.02-0.05MPa确定为膨胀水箱压力高报警定值和膨胀水箱压力超高报警定值；在补气电磁阀开启定值基础上向下留有0.02-0.05MPa确定为膨胀水箱压力低报警定值和膨胀水箱压力超低报警定值；
(9)为防止补气和排气过程中电磁阀关闭对膨胀水箱压力冲击性的影响，膨胀水箱压力保护延时为10s。
5.如权利要求1所述的高压直流阀冷系统暂态离线仿真系统，其特征在于，将运行仿真模型的液位类参数和设定好的液位类保护定值整定参数进行对比，判断出故障类型，并启动对应的保护动作包括：
(1)液位类参数包括高位水箱液位、膨胀水箱液位、补水罐液位，高位水箱液位、膨胀水箱液位为阀冷系统主要运行参数，包含报警/跳闸保护；补水罐液位主要含报警保护；
(2)液位保护定值应包括：高位水箱液位低报警定值、高位水箱液位超低报警定值、高位水箱液位高报警定值、膨胀水箱液位低报警定值、膨胀水箱液位超低报警定值、膨胀水箱液位高报警定值、补水罐液位低报警定值；
(3)高位水箱与膨胀水箱保护定值设定原则一致，均需保证无论何种稳定下均不出现高位水箱内满水或者无水的现象；
(4)根据以下公式计算得到因温度变化引起的膨胀水箱液位变化△H，为降低高位水箱液位不足或液位过高对系统造成的影响，并留有足够的处理时间，从高位水箱50％液位开始，分别向上和向下取值，其范围作为高位水箱的正常液位变化范围；在此基础上取5％左右的液位余量，作为高位水箱的液位高报警和液位低报警定值；
Figure FDA0002691941720000051
式中：
Ht1——温度为t1时膨胀水箱液位，m；
Ht2——温度为t2时膨胀水箱液位，m；
m——闭式系统内冷水质量，kg；
ρt1——温度为t1时介质密度，kg/m3；
ρt2——温度为t2时介质密度，kg/m3；
D——膨胀罐内径，m；
(5)膨胀水箱液位低报警定值宜为膨胀水箱液位的30％，膨胀水箱液位超低报警定值宜为膨胀水箱也液位的10％；膨胀水箱液位高报警定值宜为膨胀水箱也液位的80％；
(6)为防止补水泵启停对高位水箱液位冲击性的影响，高位水箱液位保护延时取10s；
(7)补水罐液位低报警定值宜为补水罐液位的20％，延时时间为5s。
6.如权利要求1所述的高压直流阀冷系统暂态离线仿真系统，其特征在于，将运行仿真模型的电导率类参数和设定好的电导率类保护定值整定参数进行对比，判断出故障类型，并启动对应的保护动作包括：
(1)电导率类参数包括冷却水电导率、去离子水电导率、喷淋水电导率，冷却水电导率为阀冷系统主要运行参数，包含报警/跳闸保护；去离子水电导率和喷淋水电导率主要含报警保护，不宜进行跳闸保护；
(2)电导率保护定值应包括：冷却水电导率高报警定值、冷却水电导率超高报警定值、去离子水电导率高报警定值、喷淋水电导率高报警定值；
(3)控制电导率通过控制泄漏电流实现，泄漏电流宜控制在4mA以内；泄漏电流根据以下公式进行计算，并在此在计算值基础上取整；
Figure FDA0002691941720000061
式中：
S——冷却水管内孔面积，mm2；
KH2O——冷却水的电导率，mm2；
L——冷却回路水管长度，mm；
U——晶闸管层间或水冷板冷却水管进/出口电压差，V；
(4)冷却水电导率高报警定值设定应不大于0.5μS/cm，25℃时，冷却水电导率超高报警定值设定应不大于0.7μS/cm，25℃时，延时时间取30s；
(5)去离子水电导率高报警定值设定应不大于0.3μS/cm，25℃时，冷却水电导率超高报警定值设定应不大于0.5μS/cm，25℃时，延时时间取30s；
(6)喷淋水电导率设定应不大于4000μS/cm，25℃时，延时时间取300s。
7.如权利要求1所述的高压直流阀冷系统暂态离线仿真系统，其特征在于，所述数据信号输入模块包括手动虚拟信号输入单元和信号采集板卡输入单元；所述手动虚拟信号输入单元用于手动输入需要仿真的量输入至离线暂态仿真模块；所述信号采集板卡输入单元通过实际工程IO板卡中的采集到的实际阀冷工程运行信号通过输入至离线暂态仿真模块中。
8.如权利要求1或6所述的高压直流阀冷系统暂态离线仿真系统，其特征在于，所述数据信号输入模块所输入的信号通过以太网的方式输入至离线暂态仿真模块中。
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