CN111579135A - 叶片式水力测功器的测控方法 - Google Patents

Abstract

一种叶片式水力测功器的测控方法,解决了现有因测控点分布的设置方式会影响叶片式水力测功器的功能的问题，属于原动机校验技术领域。本发明包括:在进水阀之前设置进水温度测量点和进水压力测量点，在排水阀之后设置排水温度测量点和水压力测量点，水力测功器尾端的轴中心线上设置转速测量点，在水力测功器的外壳支撑处设置拉压力测量点，在能反应滚动轴承真实温度的位置设置轴承温度测量点；分别将进水阀阀位和排水阀阀位设置为控制点及控制点，并配置阀位执行机构；对进水阀阀位和排水阀阀位进行控制，当测量点的数据不在设定范围内，进行报警提示，当出现供水压力低或者进排水的阀位执行机构状态异常时，保持进水阀阀位和排水阀阀位不变。

Description

叶片式水力测功器的测控方法

技术领域

本发明涉及一种叶片式水力测功器的测控方法，属于原动机校验技术领域。

背景技术

水力测功器作为原动机(汽轮机、燃气轮机、电机等)试验的负载，测定原动机发出的有效功率，并配合原动机各个工况稳定运行，检定原动机的性能。

水力测功器与原动机通过联接轴连接，以水为吸收能量的介质，水从高位水箱进入水力测功器的水腔，跟随腔内的转子旋转，将机械能转化为热能，然后升温的水由水腔的排水阀排出，该循环源源不断的消耗掉原动机产生的功率。水力测功器的测控系统需监测水力测功器运行过程中各个测点的状态，并向执行机构发出控制指令，根据需要变化水力测功器的运行工况。水力测功器测控系统在现有工业控制技术的基础上，能够具备高精度测量系统、高性能控制系统的高端特性。

对于水力测功器这种大型机械设备而言，水力测功器标准中列出了一些必要的测量量和控制量的精度要求，但并未对水力测功器的测控点进行规范化要求。

叶片式水力测功器体积大、吸收功率大，作为一种配合试验的设备，不仅需要保证在与原动机联动的过程中不给原动机带来风险，同时也要保护自身的设备安全，所以对水力测功器的测量控制系统有一定的要求。

叶片式水力测功器测量点的选取直接关系到测功器测量的准确度及测功器观测参数的准确度，从而影响叶片式水力测功器的运行安全和计量准确性，叶片式水力测功器测点的选取要考虑到设备实际运行的必要性和充分性，安装即要考虑到传感器安装规范又要考虑到设备的实际运行情况。叶片式水力测功器控制点的选取直接关系到叶片式水力测功器的性能指标是否能达到技术要求，以及叶片式水力测功器能否顺利配合原动机实现相关试验项目。

现有利用叶片式水力测功器进行测控时要求能够进行多参数综合测量与控制，而测控点分布需要试验人员参与设计，其会影响叶片式水力测功器的功能。

发明内容

针对现有因测控点分布的设置方式会影响叶片式水力测功器的功能的问题，本发明提供一种测控点布置更具有系统性、测控功能性更强大的叶片式水力测功器的测控方法。

本发明的一种叶片式水力测功器的测控方法，所述方法包括：

S1、进行测量点配置：

在进水阀之前设置进水温度测量点，在排水阀之后设置排水温度测量点，在进水阀之前设置进水压力测量点，在排水阀之后设置排水压力测量点，水力测功器尾端的轴中心线上设置转速测量点，在水力测功器的外壳支撑处设置拉压力测量点，在能反应滚动轴承真实温度的位置设置轴承温度测量点；

S2、进行控制点配置：分别将进水阀阀位和排水阀阀位设置为控制点，并在控制点配置阀位执行机构，同时将进水阀和排水阀的阀位设置为测量点；

S3、对进水阀阀位和排水阀阀位进行控制，当测量点的数据不在设定范围内，进行报警提示，当出现供水压力低或者进水阀阀位、排水阀阀位的阀位执行机构状态异常时，保持进水阀阀位和排水阀阀位不变。

作为优选，所述报警包括超扭矩报警、转速超速报警、进水压力低报警、排水温度高报警、固定端轴承温度高报警、自由端轴承温度高报警和进排水调节阀状态异常报警。

作为优选，所述S3中，对水力测功器进行控制的方法包括阀位控制、转速控制、扭矩控制、功率曲线控制和负载突卸控制：

阀位控制为通过阀位执行机构的阀位反馈和目标阀位的差，对进水阀阀位和排水阀阀位进行控制；

转速控制为通过转速测量点的转速反馈与目标转速的差输入转速控制器，转速控制器输出阀位指令，阀位指令作为目标阀位进行阀位控制；

扭矩控制为通过目标扭矩与扭矩测量点的扭矩反馈差输入扭矩控制器，扭矩控制器输出阀位指令，阀位指令作为目标阀位进行阀位控制；

功率曲线控制为根据功率曲线实现各个时刻扭矩跟随控制；

负载突卸控制为：当原动机需要水力测功器进行负载突卸时，进水阀阀位保持不变，给排水阀最大开度阀位指令。

本发明的有益效果，本发明在测控点、控制点、报警点和连锁保护点方面更具有系统性，使水力测功器测控系统的功能性更强大，可以推荐作为叶片式水力测功器的测控设计参考规范。

附图说明

图1为叶片式水力测功器的测控点布置图；

图2为阀位控制示意图；

图3为转速控制示意图；

图4为扭矩控制示意图。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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的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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施方式为实现水力测功器的高性能运行，从参数测量、参量控制、关键点报警、连锁保护四个方面做出改进。

本实施方式的一种叶片式水力测功器的测控方法，所述方法包括：

步骤一、如图1所示，进行测量点配置：

在进水阀之前设置进水温度测量点，本实施方式的进水温度使用进水口热电偶或热电阻测量，安装于进水阀之前，进水阀安装在水力测功器进水端的进水管道上，安装的位置避开阀门的运动区域；

在排水阀之后设置排水温度测量点，排水温度使用排水口热电偶或热电阻测量，安装于排水阀之后，安装的位置避开阀门的运动区域，排水阀安装在水力测功器排水端的排水管道上；

根据进水温度和排水温度计算温升，评估当前水力测功器的水量是否合适，如温升过大，需要调整进排水阀的阀位使参与做功的水量增多。同时也避免排水温度过高，水腔内水温可能更高而局部汽化以损伤水力测功器叶片的现象。

在进水阀之前设置进水压力测量点，进水压力使用进水口压力变送器测量，安装于进水阀之前；

在进水阀之前设置进水压力开关，用于连锁保护。当进水压力低于某个值，说明进水条件不足以支撑机组试验，根据该开关量信号，立即采取保护动作。

在排水阀之前设置排水压力测量点，排水压力使用排水口压力变送器测量，安装于排水阀之前；安装的位置避开阀门的运动干扰区域以及热电偶或热电阻的位置干扰区域；

水力测功器尾端的轴中心线上设置转速测量点，水力测功器的转速和转向使用光电编码器测量，安装于水力测功器尾端的轴中心线上，固定在特定的支架上，以避免光电编码器的振动；

由于转速是水力测功器的重要参数，为了避免转速测量不准确带来的后果，在水力测功器的尾端轴承设置了测速齿轮，固定两个转速探头，结合测速齿轮一起提供冗余的转速和转向信息。

在水力测功器的外壳支撑处设置拉压力测量点，水力测功器的扭矩通过拉压力传感器实现，安装于水力测功器的外壳支撑处，能够十分灵敏的感应水力测功器的受力及其变化，然后将感应到的拉压力换算成扭矩，作为测量量显示；

在能反应滚动轴承真实温度的位置设置轴承测量点，轴承温度使用轴承处的热电偶或热电阻测量，轴承分为圆柱滚动轴承和圆锥滚动轴承，热电偶分别以适当的插深安装在两种轴承最能体现轴承真实温度的位置；

进水阀的阀位信息作为测量点，以使操作人员掌握当前进水阀的开度状态。

排水阀的阀位信息作为测量点，以使操作人员掌握当前排水阀的开度状态。

步骤二、进行控制点配置：分别将进水阀阀位和排水阀阀位设置为控制点，并在控制点配置阀位执行机构，使之能够进行精确的阀位控制；本实施方式测量点的布置原则使得测量量能够及时准确地反映物理量的变化，因此在报警点配置时，根据测量点的数据实现这些必要通道的报警即可。

本实施方式还进行了连锁保护点配置，当供水压力低于水力测功器所允许的水压时，压力开关的状态量会发生变化，导致水力测功器的进排水阀保持当前位置，压力开关的位置安装在进水管道上，进水压力变送器之前。当进排水调节阀状态异常时，该异常信号同样导致水力测功器保持进排水阀的阀位不变，然后按照相应的工况进行紧急处理。

以某型双向水力测功器为例，其有两个水腔，每个水腔均具备进水管和排水管，分别实现水力测功器正向运行和反向运行时的负载配置,该双向水力测功器的测点如图1所示,其中,DCU表示控制单元,HIC表示位置反馈调节器HIC101表示正向进水阀位执行机构,HIC102表示正向排水阀位执行机构,HIC201表示反向进水阀位执行机构,HIC202表示反向排水阀位执行机构,TAH102表示正向排水温度高报警,TAH202表示反向排水温度高报警,TAH103表示圆柱滚动轴承温度1高报警,TAH104表示圆柱滚动轴承温度2高报警,TAH105表示圆锥滚动轴承温度高报警,WAH101表示超扭矩报警,WE101表示壳体拉压力传感器,WI101表示扭矩计算机显示,TI 102表示正向排水温度计算机显示,TI 202表示反向排水温度计算机显示,TI 103表示圆柱滚动轴承温度1计算机显示,TI 104表示圆柱滚动轴承温度2计算机显示,TI 105表示圆锥滚动轴承温度计算机显示,TI101表示正向进水温度计算机显示,TI201表示反向进水温度计算机显示,TE101表示正向进水阀前热电偶,TE102表示正向排水阀后热电偶,TE201表示反向进水阀前热电偶,TE202表示反向排水阀后热电偶,TE103表示圆柱滚动轴承热电偶,TE104表示圆柱滚动轴承热电偶,TE105表示圆锥滚动轴承热电偶,SAH表示超速报警,SE101表示尾轴光电编码器,SE102表示转速探头,SE103表示转速探头,ST102表示转向识别器,SI101表示转速计算机显示,PK101表示正向进水阀前压力开关,PK201表示反向进水阀前压力开关,PT101表示正向进水阀前压力变送器,PT102表示正向排水阀前压力变送器,PT201表示反向进水阀前压力变送器,PT202表示反向排水阀前压力变送器,PAL101表示正向进水阀前压力低报警,PAL201表示反向进水阀前压力低报警,PI101表示正向进水阀前压力计算机显示,PI102表示正向排水阀前压力计算机显示,PI201表示反向进水阀前压力计算机显示,PI202表示反向排水阀前压力计算机显示；

步骤三、根据测量点的数据对进水阀阀位和排水阀阀位进行控制，当测量点的数据不在设定范围内，进行报警提示，当出现供水压力低或者进水阀阀位、排水阀阀位的阀位执行机构状态异常时，保持进水阀阀位和排水阀阀位不变进行连锁保护。

当出现供水压力低，低于某一设定值时，压力开关状态将发生变化，当进水阀和排水的阀位执行机构状态异常时，进水阀阀位的阀位执行机构和排水阀阀位的阀位执行机构将向控制系统发送故障信号，只要这三种情况中任意一种出现时，均进行连锁保护动作，保持进水阀阀位和排水阀阀位不变。

当产生报警时，一般情况下，报警目的是为了引起操作员注意，并采取措施，消除报警，但在紧急情况下，需要触发连锁保护，以杜绝无法及时消除报警时的隐患。当供水压力低报警和进排水调节阀状态异常报警时，保持进排水阀的阀位不变，然后按照相应的工况进行紧急处理。

本实施方式为实现水力测功器的高性能运行，从参数测量、参量控制、关键点报警、连锁保护四个方面进行了设计。本实施方式在测控点、控制点、报警点和连锁保护点方面更具有系统性，使水力测功器测控系统的功能性更强大，可以推荐作为叶片式水力测功器的测控设计参考规范。

关于参量控制：

原动机输出功率，水力测功器吸收功率。当原动机输出功率大于水力测功器吸收功率，机组转速会升高；当原动机输出功率等于水力测功器吸收功率，机组转速会稳定；当原动机输出功率小于水力测功器吸收功率，机组转速会降低。

水力测功器配合原动机实验，原动机在旋转过程中，水力测功器需要调节水环使得原动机稳定工作在某一个特定的工况点，或跟随原动机从某个工况运行至另一个工况。原动机控制工况即控制功率和转速，而水力测功器配合工况即控制水腔内的水量即扭矩。水量的控制通过调节水力测功器进水量和排水量来实现，进水量由进水阀控制，排水量由排水阀控制。控制阀位的本质是进水阀控制进水量，排水阀控制排水量，从而控制机组运行过程中水力测功器的水腔内的水量。根据原动机的试验需求，制定合理的控制方案。

水力测功器的控制方式分为以下几类：

a、阀位控制

如图2所示，通过阀位执行机构的阀位反馈和目标阀位的差，对进水阀阀位和排水阀阀位进行控制；阀位控制对于水力测功器测控系统而言属于小闭环控制，阀位控制对应水力测功器的工况点实现属于手动模式。在试验过程中，由操作人员根据当前运行状态及机组所需，适时通过手动干预，直接调节进水阀和排水阀的阀位，以达到目标状态。

b、转速控制

如图3所示，通过转速测量点的转速反馈与目标转速的差输入转速控制器，转速控制器输出阀位指令，阀位指令作为目标阀位进行阀位控制，转速控制对于水力测功器测控系统而言属于大闭环控制，转速控制对应水力测功器的工况点实现属于自动模式。

c、扭矩控制

如图4所示，通过目标扭矩与扭矩测量点的扭矩反馈差输入扭矩控制器，扭矩控制器输出阀位指令，阀位指令作为目标阀位进行阀位控制，扭矩控制对于水力测功器测控系统而言属于大闭环控制，扭矩控制对应水力测功器的工况点实现属于自动模式。

d、功率曲线控制

功率曲线控制对于水力测功器测控系统而言属于大闭环控制，功率曲线控制对应水力测功器的功能实现属于全自动模式。功率曲线跟随的实现方式为闭环跟随各个时刻扭矩控制的集合。

以上三种控制模式属于自动控制模式，根据试验要求，采取不同的控制策略实现对进水阀和排水阀阀位的控制，从而获得水力测功器运行所需的水量。

e、负载突卸

当原动机需要水力测功器进行负载突卸时，即将负载瞬间卸掉，此时动作模式为：进水阀阀位保持不变，给排水阀最大开度阀位全开(或开到某个指定位置)指令，此动作使水力测功器工作水腔内的水迅速减少，从而使吸收功率迅速下降。

水力测功器测量从保护自身的角度出发，其控制系统需要具备故障报警功能。测控系统通过对相关数据的测量、转换、处理，能够完成以关键通道的声光报警功能，在关键通道的数据超过允许量时进行声光报警。从而为水力测功器的安全、可靠运行提供全面的保障。本实施方式的报警包括超扭矩报警、转速超速报警、进水压力低报警、排水温度高报警、固定端轴承温度高报警、自由端轴承温度高报警和进排水调节阀状态异常报警。

超扭矩报警：扭矩超限表示水力测功器的机械承载能力受到威胁；

超速报警：转速超限表示机组面临失去控制的危险；

进水压力低报警：供水压力低表示当前不具备正常试验的条件；

排水温度高报警：排水温度高表示水力测功器叶片存在受损可能；

固定端轴承温度高报警：轴承温度高表示水力测功器轴承处于非正常状态；

自由端轴承温度高报警：轴承温度高表示水力测功器轴承处于非正常状态；

进排水调节阀状态异常报警：调节阀状态异常表示水力测功器已经无法正常控制；

出现以上状况时，必须进行声光报警，以提醒操作人员及时做出响应。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (3)

1.一种叶片式水力测功器的测控方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、进行测量点配置：

在进水阀之前设置进水温度测量点，在排水阀之后设置排水温度测量点，在进水阀之前设置进水压力测量点，在排水阀之后设置排水压力测量点，水力测功器尾端的轴中心线上设置转速测量点，在水力测功器的外壳支撑处设置拉压力测量点，在能反应滚动轴承真实温度的位置设置轴承温度测量点；

S2、进行控制点配置：分别将进水阀阀位和排水阀阀位设置为控制点，并在控制点配置阀位执行机构，同时将进水阀和排水阀的阀位设置为测量点；

S3、对进水阀阀位和排水阀阀位进行控制，当测量点的数据不在设定范围内，进行报警提示，当出现供水压力低或者进水阀阀位、排水阀阀位的阀位执行机构状态异常时，保持进水阀阀位和排水阀阀位不变。

2.根据权利要求1所述的叶片式水力测功器的测控方法，其特征在于，所述报警包括超扭矩报警、转速超速报警、进水压力低报警、排水温度高报警、固定端轴承温度高报警、自由端轴承温度高报警和进排水调节阀状态异常报警。

3.根据权利要求1所述的叶片式水力测功器的测控方法，其特征在于，

所述S3中，对水力测功器进行控制的方法包括阀位控制、转速控制、扭矩控制、功率曲线控制和负载突卸控制：

阀位控制为通过阀位执行机构的阀位反馈和目标阀位的差，对进水阀阀位和排水阀阀位进行控制；

转速控制为通过转速测量点的转速反馈与目标转速的差输入转速控制器，转速控制器输出阀位指令，阀位指令作为目标阀位进行阀位控制；

扭矩控制为通过目标扭矩与扭矩测量点的扭矩反馈差输入扭矩控制器，扭矩控制器输出阀位指令，阀位指令作为目标阀位进行阀位控制；

功率曲线控制为根据功率曲线实现各个时刻扭矩跟随控制；

负载突卸控制为：当原动机需要水力测功器进行负载突卸时，进水阀阀位保持不变，给排水阀最大开度阀位指令。

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