CN114810234B - 一种汽轮发电机组瞬态性能试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽轮发电机组瞬态性能试验系统，涉及船舶技术领域，在该系统中，供气装置通过供气管道连接汽轮发电机组进行供气，供气管道还通过设置有蒸汽伺服排放阀的排气管道进行排气，排气管道的连接口至汽轮发电机组之间的供气管道上安装有蒸汽监测装置，汽轮发电机组通过负载开关柜连接负载设备；上位机通过以太网连接伺服驱动器，伺服驱动器连接蒸汽伺服排放阀的伺服电机，上位机还连接蒸汽监测装置以及负载开关柜；上位机联锁控制蒸汽伺服排放阀与负载开关柜，同步控制负载开关柜实现负载功率突卸和突加，蒸汽排放阀快速地运行到对应开度，以实现蒸汽数据与负载功率的快速对应，满足试验需要。

Description

一种汽轮发电机组瞬态性能试验系统

技术领域

本发明涉及船舶技术领域，尤其是一种汽轮发电机组瞬态性能试验系统。

背景技术

船用汽轮发电机组是船舶重要的动力设备，汽轮发电机组研制初始阶段必须经过陆上试验验证才能确定机组性能是否达到设计要求。汽轮发电机组瞬态性能试验是陆上试验的重要组成部分，其内容是考核电力负荷突变时汽轮发电机组的稳定性能，蒸汽压力稳定是瞬态性能试验的先决条件。

瞬态性能试验包含多个工况功率点的突加突卸试验，如额定负荷0%-50%、50%-0%、20%-60%、60%-20%、0%-100%、100%-0%的突加突卸。瞬态性能试验中负荷不同机组需要的蒸汽流量不同。100%负荷下蒸汽流量可能是0%负荷下（机组空转）蒸汽流量的10倍，而且瞬态过程短暂，蒸汽流量变化过程时间小于1秒，所以试验系统必须要有一个蒸汽快速调节阀来控制蒸汽流量的输配，以实现蒸汽流量的快速排空和供给。负荷的变化是由负载开关控制的，开关安装于负载开关柜中，开关合闸负载突加，开关分闸负载突卸。

在专利CN201810312444.7《一种用于汽轮发电机组动态性能测试的蒸汽供应系统》中公开了这样一种蒸汽供应系统，该蒸汽供应系统配套了蒸汽快速调节阀，该快速调节阀的阀体采用平衡鼠笼式调节阀，阀门执行机构为电液执行机构，调节控制器为压力控制器，控制原理为压力控制器接收三个压力传感器的测量信号，与压力控制器的预先设定值相比较，当三个压力传感器测量信号中的任意两个以上测量信号大于设定值时，压力控制器发出指令使减压阀开度增大，当三个压力传感器测量信号中的任意两个以上测量信号小于设定值时，压力控制器发出指令使减压阀开度减小。压力控制器计算进汽压力变化速率，根据进汽压力变化速率快或慢,发出快或慢的减压阀开度动作指令。阀门动作速率与蒸汽压力变化速率关联，但实际上这种阀门并不适合汽轮发电机组瞬态试验，因为瞬态性能试验负载的变化在一瞬间，时间小于1秒，所带了压力变化也是突变的，该专利表述的蒸汽调节系统是来不及及时反应的。其次该专利容易出现负荷变化与负载动作时间不匹配的问题，压力波动会比较剧烈。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种汽轮发电机组瞬态性能试验系统，本发明的技术方案如下：

一种汽轮发电机组瞬态性能试验系统，在该系统中，供气装置通过供气管道连接汽轮发电机组进行供气，供气管道还通过设置有蒸汽伺服排放阀的排气管道进行排气，排气管道的连接口至汽轮发电机组之间的供气管道上安装有蒸汽监测装置，汽轮发电机组通过负载开关柜连接负载设备；

上位机通过以太网连接伺服驱动器，伺服驱动器连接蒸汽伺服排放阀的伺服电机，上位机还连接蒸汽监测装置以及负载开关柜；

上位机通过蒸汽监测装置采集实时蒸汽数据、通过负载开关柜确定实时负载功率，上位机根据实时负载功率以及瞬态性能试验过程中的目标负载功率生成开合闸控制信号，上位机根据实时蒸汽数据以及目标负载功率对应的目标蒸汽数据确定阀门控制信号；

上位机通过伺服驱动器按照阀门控制信号控制蒸汽伺服排放阀的开度，且控制负载开关柜按照开合闸控制信号进行工作，使得蒸汽伺服排放阀与负载开关柜实现联锁控制。

其进一步的技术方案为，上位机通过伺服驱动器按照阀门控制信号控制蒸汽伺服排放阀的开度，包括：

上位机将目标蒸汽数据对应的目标开度发送给伺服驱动器，伺服驱动器控制蒸汽伺服排放阀运行至目标开度，控制运行过程时间小于1秒；

到达目标开度后控制方式进行切换，上位机将实时蒸汽数据和目标蒸汽数据的差值作为PID控制器的输入，将PID控制器输出的微调信号发送给伺服驱动器，伺服驱动器按照微调信号控制蒸汽伺服排放阀在目标开度的基础上进行微调。

其进一步的技术方案为，上位机利用模糊控制器修正PID控制器的PID参数。

其进一步的技术方案为，模糊控制器对PID参数的修正过程包括：

确定t时刻的蒸汽数据偏差值E（t）和蒸汽数据偏差变化率EC（t），蒸汽数据偏差值E（t）是t时刻的实时蒸汽数据和目标蒸汽数据之间的差值，蒸汽数据偏差变化率EC（t）是t时刻的蒸汽数据偏差值E（t）与前一时刻的蒸汽数据偏差值之间的差值，蒸汽数据偏差变化率的初始值为0；

根据预定的隶属度函数模糊化蒸汽数据偏差值E（t）和蒸汽数据偏差变化率EC（t），并调用预定模糊规则确定PID参数变化量；

在t时刻的PID参数的基础上叠加PID参数变化量修正得到下一时刻的PID参数。

其进一步的技术方案为，上位机通过伺服驱动器确定蒸汽伺服排放阀的实时开度，并根据实时开度对蒸汽伺服排放阀的开度进行闭环控制。

其进一步的技术方案为，蒸汽监测装置包括压力传感器和/或流量传感器。

其进一步的技术方案为，当上位机确定目标负载功率小于实时负载功率时，上位机生成开闸控制信号，并根据实时蒸汽数据以及目标负载功率对应的目标蒸汽数据确定阀门控制信号；上位机通过伺服驱动器按照阀门控制信号控制蒸汽伺服排放阀增大开度，且控制负载开关柜按照开闸控制信号实现分闸降低实时负载功率，满足突卸试验要求。

其进一步的技术方案为，当上位机确定目标负载功率大于实时负载功率时，上位机生成合闸控制信号，并根据实时蒸汽数据以及目标负载功率对应的目标蒸汽数据确定阀门控制信号；上位机通过伺服驱动器按照阀门控制信号控制蒸汽伺服排放阀减小开度，且控制负载开关柜按照合闸控制信号实现合闸提高实时负载功率，满足突加试验要求。

其进一步的技术方案为，上位机包括监控主机和PLC控制器，监控主机和PLC控制器通过以太网连接并建立基于以太网的OPC通信，PLC控制器通过以太网连接伺服驱动器并建立基于以太网的Profinet总线通信，PLC控制器还连接蒸汽监测装置以及负载开关柜。

其进一步的技术方案为，PLC控制器采集蒸汽伺服排放阀、蒸汽监测装置和负载开关柜的运行状态数据并反馈给监控主机进行实时监控。

本发明的有益技术效果是：

本申请公开了一种汽轮发电机组瞬态性能试验系统，该系统联锁控制蒸汽伺服排放阀与负载开关柜，通过蒸汽伺服排放阀控制蒸汽输配，维持瞬态试验过程蒸汽压力稳定，同步控制负载开关柜实现负载功率突卸和突加，蒸汽排放阀快速地运行到对应开度，以实现蒸汽数据与负载功率的快速对应，上位机与伺服驱动器采用以太网通信，相对脉冲指令、模拟量传输方式，以太网通信更精准可靠。

考虑到由于机组和蒸汽系统自身的扰动，蒸汽压力也会出现波动，这种波动有可能会影响机组的调速性能测试，因此在阀门完成开度快速定位后，切换至模糊自适应PID调节实现的微调阶段以维持蒸汽压力稳定。

另外，基于以太网双向数据传输，上位机不仅能发出指令，还能监测阀位反馈、伺服电机状态等信息，方便蒸汽伺服排放阀故障状态在线监测，一定程度上避免人员因靠近蒸汽管道所带来的安全隐患。

附图说明

图1是一个实施例的汽轮发电机组瞬态性能试验系统的系统结构示意图。

图2是一个实施例中上位机对蒸汽伺服排放阀和负载开关柜进行联锁控制的流程示意图。

图3是一个实施例中利用模糊控制器修正PID控制器的PID参数的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种汽轮发电机组瞬态性能试验系统，请参考图1，在该系统中，供气装置1通过供气管道2连接汽轮发电机组3进行供气，供气管道2还通过设置有蒸汽伺服排放阀4的排气管道5进行排气，排气端可以直接连接大气或者其他设备，本申请对此不做限定。排气管道5的连接口至汽轮发电机组3之间的供气管道1上安装有蒸汽监测装置6。在一个实施例中，蒸汽监测装置包括压力传感器61和/或流量传感器62。

汽轮发电机组3通过负载开关柜7连接负载设备8，负载开关柜7中包括若干个开关连接若干个不同的负载设备8，当一个负载设备8所连接的开关闭合时其接入汽轮发电机组3作为负载，否则不接入。当汽轮发电机组3接入的负载设备8越多，其实时负载功率越大，否则实时负载功率越小。当负载开关柜7中的开关的开闭状态不同时，汽轮发电机组3的实时负载功率不同，上位机通过负载开关柜7中的开关的状态即能确定汽轮发电机组3的实时负载功率。

上位机通过以太网连接伺服驱动器9。在一个实施例中，如图1所示，上位机包括监控主机和PLC控制器，PLC控制器采用双网口模块，监控主机和PLC控制器通过以太网连接并建立基于以太网的OPC通信。PLC控制器通过以太网连接伺服驱动器9并建立基于以太网的Profinet总线通信。

伺服驱动器9连接蒸汽伺服排放阀4的伺服电机。在一个实施例中，伺服驱动器9通过专门的动力电缆和通信电缆连接蒸汽伺服排放阀4的伺服电机。蒸汽伺服排放阀4的电动执行机构为电动缸，电动缸将伺服电机、滚珠丝杠集成为一体，滚珠丝杠与蒸汽伺服排放阀4的阀芯直连，蒸汽伺服排放阀4的阀体采用套筒阀结构。伺服驱动器9通过控制伺服电机的旋转圈数来控制滚珠丝杠的伸缩距离，从而达到调节蒸汽伺服排放阀4的开度的目的。另外，电动缸的伸缩距离又作为阀位和实时开度反馈至伺服驱动器9。

上位机还连接蒸汽监测装置6以及负载开关柜7，基于上位机包括监控主机和PLC控制器的结构，PLC控制器还连接蒸汽监测装置6以及负载开关柜7。另外，上位机还通过PLC控制器采集蒸汽伺服排放阀、蒸汽监测装置和负载开关柜的运行状态数据并反馈给监控主机进行实时监控。另外，负载开关柜内安装有互感器采集电气参数，根据采集的电压、电流、功率因数换算发电机功率反馈给PLC控制器，继而反馈给监控主机，实现实时监控。

该系统可以实现汽轮发电机组瞬态性能试验，上位机执行的过程如下，请参考图2所示的流程图：

上位机通过负载开关柜确定实时负载功率，上位机根据实时负载功率以及瞬态性能试验过程中的目标负载功率生成开合闸控制信号。其中，开合闸控制信号为开闸控制信号或合闸控制信号，当上位机确定目标负载功率大于实时负载功率时，上位机生成合闸控制信号，合闸控制信号用于指示负载开关柜打开更多的开关以使得汽轮发电机组3接入更多的负载设备从而提高实时负载功率至目标负载功率。当上位机确定目标负载功率小于实时负载功率时，上位机生成开闸控制信号，开闸控制信号用于指示负载开关柜关闭若干个开关以使得汽轮发电机组3接入的负载设备变少。实际开合闸控制信号除了指示开闸或关闸的动作之外，还指示需要打开或关闭的开关的数量，或者进一步的，指示需要打开或关闭的开关的标识以打开或关闭特定的开关。由于每个开关所连接的负载设备提供的负载功率是已知的，根据实时负载功率和目标负载功率之间所需要调整的功率差就能确定需要实现的开关调整结果。

上位机还通过蒸汽监测装置6采集实时蒸汽数据，蒸汽数据根据传感器的不同包括蒸汽压力和/或蒸汽流量。上位机根据实时蒸汽数据以及目标负载功率对应的目标蒸汽数据确定阀门控制信号，不同目标负载功率与目标蒸汽数据的匹配对应关系可以根据预先拟合的曲线确定。

上位机通过伺服驱动器按照阀门控制信号控制蒸汽伺服排放阀4的开度。且在开度调整过程中，上位机通过伺服驱动器9确定蒸汽伺服排放阀4的实时开度，并根据实时开度对蒸汽伺服排放阀4的开度进行闭环控制，以提高控制的准确度。本申请中的蒸汽伺服排放阀4的开度通过两阶段调节：粗调阶段和微调阶段：

在粗调阶段，上位机将目标蒸汽数据对应的目标开度发送给伺服驱动器9，伺服驱动器9控制蒸汽伺服排放阀4运行至目标开度，在一个实施例中，蒸汽伺服排放阀4在伺服驱动器9的控制下以固定加减速运行至目标开度，该过程运行时间在1s内。

完成粗调阶段后切换至微调阶段，两个阶段的切换可以由PLC控制字赋值确定，在微调阶段，上位机将实时蒸汽数据和目标蒸汽数据的差值作为PID控制器的输入，将PID控制器输出的微调信号发送给伺服驱动器9，伺服驱动器9按照该微调信号控制蒸汽伺服排放阀4在目标开度的基础上进行微调，以稳定在目标蒸汽数据处减少波动。

PID控制器是一种线性控制器，其原理是根据设定值与过程量构成控制偏差,将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。PID控制器比例作用参数大，调节作用加快，但参数过大会导致稳定性变差，积分作用可以消除稳态误差，提高无差度，但积分作用会导致动态响应变慢；微分作用可以根据偏差变化率，预判偏差变化趋势，产生超前作用，但会将噪声放大，不利于消除系统干扰。为了克服传统的PID控制器调节性能不佳的缺点，进一步的，上位机利用模糊控制器修正PID控制器的PID参数。具体的，请参考图3，确定t时刻的蒸汽数据偏差值E（t）和蒸汽数据偏差变化率EC（t），蒸汽数据偏差值E（t）是t时刻的实时蒸汽数据和目标蒸汽数据之间的差值，蒸汽数据偏差变化率EC（t）是t时刻的蒸汽数据偏差值E（t）与前一时刻的蒸汽数据偏差值之间的差值，蒸汽数据偏差变化率的初始值为0。根据预定的隶属度函数模糊化蒸汽数据偏差值E（t）和蒸汽数据偏差变化率EC（t），并调用预定模糊规则确定PID参数变化量。在t时刻的PID参数的基础上叠加PID参数变化量修正得到下一时刻的PID参数。

在上位机通过伺服驱动器按照阀门控制信号控制蒸汽伺服排放阀4的开度时，上位机还控制负载开关柜7按照开合闸控制信号进行工作，使得蒸汽伺服排放阀4与负载开关柜7实现联锁控制。进一步的，上位机还可以按照预先设定的联锁时间差来调节蒸汽伺服排放阀4与负载开关柜7之间的联锁控制。

在突卸试验中，上位机接收到的目标负载功率小于实时负载功率，生成开闸控制信号，负载开关柜7按照开闸控制信号实现分闸降低实时负载功率，且上位机通过伺服驱动器9按照阀门控制信号控制蒸汽伺服排放阀4增大开度，以排出更多的蒸汽使得提供给汽轮发电机组3的实时蒸汽数据降低以达到目标负载功率对应的目标蒸汽数据，满足突卸试验要求。

在突加试验中，上位机接收到的目标负载功率大于实时负载功率，生成合闸控制信号，负载开关柜7按照合闸控制信号实现合闸提高实时负载功率，且上位机通过伺服驱动器9按照阀门控制信号控制蒸汽伺服排放阀4减小开度，以减少排出的蒸汽使得提供给汽轮发电机组3的实时蒸汽数据增大以达到目标负载功率对应的目标蒸汽数据，满足突加试验要求。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种汽轮发电机组瞬态性能试验系统，其特征在于，在所述系统中，供气装置通过供气管道连接汽轮发电机组进行供气，所述供气管道还通过设置有蒸汽伺服排放阀的排气管道进行排气，所述排气管道的连接口至所述汽轮发电机组之间的供气管道上安装有蒸汽监测装置，所述汽轮发电机组通过负载开关柜连接负载设备；

上位机通过以太网连接伺服驱动器，所述伺服驱动器连接所述蒸汽伺服排放阀的伺服电机，所述上位机还连接所述蒸汽监测装置以及所述负载开关柜；

所述上位机通过所述蒸汽监测装置采集实时蒸汽数据、通过所述负载开关柜确定实时负载功率，所述上位机根据所述实时负载功率以及瞬态性能试验过程中的目标负载功率生成开合闸控制信号，所述上位机根据所述实时蒸汽数据以及所述目标负载功率对应的目标蒸汽数据确定阀门控制信号；

所述上位机通过所述伺服驱动器按照所述阀门控制信号控制所述蒸汽伺服排放阀的开度，且控制所述负载开关柜按照所述开合闸控制信号进行工作，使得所述蒸汽伺服排放阀与所述负载开关柜实现联锁控制；

所述上位机通过所述伺服驱动器按照所述阀门控制信号控制所述蒸汽伺服排放阀的开度，包括：所述上位机将目标蒸汽数据对应的目标开度发送给所述伺服驱动器，所述伺服驱动器控制所述蒸汽伺服排放阀运行至所述目标开度；所述上位机将所述实时蒸汽数据和所述目标蒸汽数据的差值作为PID控制器的输入，将所述PID控制器输出的微调信号发送给所述伺服驱动器，所述伺服驱动器按照所述微调信号控制所述蒸汽伺服排放阀在所述目标开度的基础上进行微调。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上位机利用模糊控制器修正所述PID控制器的PID参数。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述模糊控制器对PID参数的修正过程包括：

确定t时刻的蒸汽数据偏差值E（t）和蒸汽数据偏差变化率EC（t），蒸汽数据偏差值E（t）是t时刻的实时蒸汽数据和目标蒸汽数据之间的差值，蒸汽数据偏差变化率EC（t）是t时刻的蒸汽数据偏差值E（t）与前一时刻的蒸汽数据偏差值之间的差值，蒸汽数据偏差变化率的初始值为0；

根据预定的隶属度函数模糊化蒸汽数据偏差值E（t）和蒸汽数据偏差变化率EC（t），并调用预定模糊规则确定PID参数变化量；

在t时刻的PID参数的基础上叠加所述PID参数变化量修正得到下一时刻的PID参数。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上位机通过所述伺服驱动器确定蒸汽伺服排放阀的实时开度，并根据所述实时开度对所述蒸汽伺服排放阀的开度进行闭环控制。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述蒸汽监测装置包括压力传感器和/或流量传感器。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述上位机确定目标负载功率小于所述实时负载功率时，所述上位机生成开闸控制信号，并根据所述实时蒸汽数据以及所述目标负载功率对应的目标蒸汽数据确定阀门控制信号；所述上位机通过所述伺服驱动器按照所述阀门控制信号控制所述蒸汽伺服排放阀增大开度，且控制所述负载开关柜按照所述开闸控制信号实现分闸降低实时负载功率，满足突卸试验要求。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述上位机确定目标负载功率大于所述实时负载功率时，所述上位机生成合闸控制信号，并根据所述实时蒸汽数据以及所述目标负载功率对应的目标蒸汽数据确定阀门控制信号；所述上位机通过所述伺服驱动器按照所述阀门控制信号控制所述蒸汽伺服排放阀减小开度，且控制所述负载开关柜按照所述合闸控制信号实现合闸提高实时负载功率，满足突加试验要求。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上位机包括监控主机和PLC控制器，所述监控主机和所述PLC控制器通过以太网连接并建立基于以太网的OPC通信，所述PLC控制器通过以太网连接所述伺服驱动器并建立基于以太网的Profinet总线通信，所述PLC控制器还连接所述蒸汽监测装置以及所述负载开关柜。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述PLC控制器采集蒸汽伺服排放阀、蒸汽监测装置和负载开关柜的运行状态数据并反馈给所述监控主机进行实时监控。