CN116519181A - 一种用于测量旋转机械功率的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于测量旋转机械功率的方法及系统，由于辅助冷却水循环系统出水管路的管径与水力测功机的水腔容积相比较小，即使出水管路上的调节阀全部打开或关闭，调节水腔内水量的速度也有限，仅通过常规调节出水管路上的调节阀的方法难以满足快速调节的要求，本发明通过在水力测功机的辅助冷却水循环系统进水和出水管路上各设置一个调节阀，当被测动力设备对水力测功机的瞬态运行调节速度有较高要求时，采取同时调节辅助冷却水循环系统进水和出水管路上两个调节阀的方法，并且两个调节阀的开度均通过PID控制，从而来达到尽可能快的调节水腔内水量的目的，最大限度地克服水力测功机加载调节的滞后特性，提高了其瞬态运行调节速度。此外，还进一步给出了改善水力测功机工作不稳定性和稳定条件下的PID参数设置无法满足瞬态运行快速调节的方法。
Description
技术领域
本发明属于动力设备的测功领域，涉及一种用于测量旋转机械功率的水制动系统，具体为一种水力测功机瞬态运行的快速调节方法及系统。
背景技术
目前，常用的测功设备主要有水力测功机、电力测功机、惯性测功机、扭矩测功机、磁粉测功机等，不同类型的测功设备各有其特点。水力测功机因结构简单、造价低廉、易维护维修、功率密度高及适用范围广等特点，仍用于测量各种动力设备的功率，尤其是重型或大功率发动机的功率测量。
水力测功机的制动系统主要由水力测功机本体和辅助冷却水循环系统组成，本体主要包括主轴、定子及主轴上的转子三部分，定子与转子上的凹坑构成了水腔，辅助冷却水循环系统确保了水腔的供水和排水。被测动力设备的动力输出轴与水力测功机主轴上的转子传动连接，当被测动力设备带动水力测功机的转子与定子产生相对转动时，具有一定压力的冷却水从带有孔的定子流入水腔，转子带动水腔内部的水形成强烈旋转。由于冷却水与水腔表面之间的摩擦和冲击等作用，机械能通过冷却水从转子传递到定子转化为热能。同时，因冷却水与定子之间的相对运动而产生制动扭矩，使水力测功机的壳体绕支点摆动，制动扭矩通过力臂传给拉压力传感器，实现被测动力设备扭矩、转速及功率的测量。最终，冷却水从水力测功机的定子与转子外边缘之间的环形间隙排出。
从工作原理来看，水力测功机的制动扭矩通过水腔内的冷却水量来控制，水腔内的水量越大，旋转过程中转子与定子之间形成的水层就越厚，制动扭矩也就越大，而水腔内的水量取决于进、出口的冷却水流量。水力测功机的制动扭矩通过水腔内的冷却水量来控制，以上特点决定了水力测功机的工作过程中有两个缺点：首先，水力测功机的测量精度受到冷却水流量的影响，即使水腔内的水量微小变化也会引起扭矩改变，难以获得恒定的转速，导致稳定性较差,影响测量数据的稳定性和精度；其次，水力测功机的制动特性滞后，由于水腔内的水量调节能力较差，且水量的变化需要一定的时间，使得水力测功机的制动扭矩或转速变化较慢，导致瞬态运行的调节速度缓慢,影响测试动态性能。通常情况下，为了提高水力测功机工作的稳定性，被测动力设备的负载制动扭矩通过安装在水腔出口处的流量调节阀来控制，进口处的冷却水压力通过高位水箱保持稳定，但由于出口处的流量调节阀响应容易出现滞后，使水力测功机在瞬态运行下的调节性能较差，会出现转速超调或振荡的现象。因此，水力测功机更适用于稳态速度调节精度和瞬态运行调节能力要求不高的动力设备稳态测试。
发明内容
(一)发明目的
针对现有技术的上述缺陷和不足，为在确保水力测功机工作稳定的前提下，最大限度提高其瞬态运行调节速度，本发明提出了一种用于测量旋转机械功率的方法及系统，由于辅助冷却水循环系统出水管路的管径与水力测功机的水腔容积相比较小，即使出水管路上的调节阀全部打开或关闭，调节水腔内水量的速度也有限，本发明通过在水力测功机的辅助冷却水循环系统进水和出水管路上各设置一个调节阀，当被测动力设备对水力测功机的瞬态运行调节速度有较高要求时，采取同时调节辅助冷却水循环系统进水和出水管路上两个调节阀的方法，并且两个调节阀的开度均通过PID控制，从而来达到尽可能快的调节水腔内水量的目的，最大限度地克服水力测功机加载调节的滞后特性,提高了其瞬态运行调节速度。此外，由于现有技术中尚无相关的水力测功机设计、调试及运行等标准可参考，本发明还给出了具体调试方法。
(二)技术方案
为实现该发明目的，解决相应的技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种水力测功机瞬态运行的快速调节系统，至少包括一水力测功机和一与所述水力测功机传动连接的被测动力设备，所述水力测功机的转速和/或制动扭矩根据所述被测动力设备的输出转速和/或功率来确定，其特征在于，
所述水力测功机至少包括一水力测功机本体和一与所述水力测功机本体相适配的辅助冷却水循环系统，其中，
所述水力测功机本体至少包括一整体呈环形的测功机定子和一设置在主轴上的测功机转子，所述测功机转子同轴设置在所述测功机定子内，且所述测功机定子的内壁表面上以及所述测功机转子的外壁表面上均阵列设置有凹坑，所述测功机定子与测功机转子之间的环形间隙以及二者表面上的凹坑形成为测功机水腔；
所述辅助冷却水循环系统，至少包括一高位水箱、一热水池、一冷却塔、一冷水池，其中，所述高位水箱的设置高度高于所述水力测功机，且所述高位水箱通过一进水管路与所述测功机水腔的进口连通，所述热水池通过一出水管路与所述测功机水腔的出口连通，所述热水池通过一冷却塔与所述冷水池连通，且所述热水池与冷却塔之间的连通管路上设置有第一水循环泵，所述冷水池通过一设置有第二水循环泵的连通管路与所述高位水箱连通，
所述进水管路上至少设有一进水调节阀，所述出水管路上至少设有一出水调节阀，且所述进水调节阀、出水调节阀上分别对应设置有PID控制器，通过两所述PID控制器同时调节所述进水调节阀、出水调节阀的开度，以快速调节所述测功机水腔内的水量，并通过调节两所述PID控制器的PID参数设置来改变所述进水调节阀、出水调节阀的响应速度，使之与所述水力测功机运行的瞬态特性匹配。
优选地，所述水力测功机的主轴通过一齿轮箱与所述被测动力设备的动力输出轴传动连接。
优选地，在所述被测动力设备转速保持不变的条件下，为提升所述水力测功机瞬态运行的调节速度，若所述被测动力设备的负荷增大，则增大所述进水调节阀的开度，并减小所述出水调节阀的开度，使所述测功机水腔内的水量迅速增加，从而快速升高所述水力测功机的制动扭矩；若所述被测动力设备的负荷降低，则减小所述进水调节阀的开度，并增大所述出水调节阀的开度，使所述测功机水腔内的水量迅速减小，从而快速降低所述水力测功机的制动扭矩。
优选地，在所述水力测功机的制动扭矩保持不变的条件下，为提升所述水力测功机瞬态运行的调节速度，若所述被测动力设备的负荷增大，则增大所述进水调节阀的开度，并减小所述出水调节阀的开度，使所述测功机水腔内的水量迅速增加，从而快速降低所述水力测功机的转速；若所述被测动力设备的负荷降低，则减小所述进水调节阀的开度，并增大所述出水调节阀的开度，使所述测功机水腔内的水量迅速减小，从而快速升高所述水力测功机的转速。
优选地，当所述被测动力设备的输出转速和/或扭矩在设定值之下时，所述进水调节阀的控制策略为开环控制，首先将所述进水调节阀的初始开度设置为最小开度，以保证所述测功机水腔内总是存在一定量的冷却水，随着所述被测动力设备的输出转速和/或扭矩逐渐增大，逐渐增加所述进水调节阀的开度，以增加进入所述测功机水腔的冷却水流量；所述出水调节阀的控制策略为闭环控制，并根据所述水力测功机的转速和/或制动扭矩来调节其开度，以控制冷却水的排出量。
进一步地，所述进水管路上还至少设有一流量计、一压力表，所述流量计用以监测所述进水管路中冷却水的实际流量，如果流量过低，则增加所述进水调节阀的开度以增加冷却水的流量。
进一步地，所述进水管路上还至少设有一压力表，所述压力表用以监测所述进水管路中冷却水的水压，以确保冷却水足够满足所述水力测功机的要求。
进一步地，所述出水管路上还至少设有一压力表、一温度表，所述压力表和温度表分别用于监测排出冷却水的压力和温度，以确保控制的准确性，并确保出水温度不超过允许的范围。
进一步地，当所述被测动力设备的输出转速和/或扭矩在设定值之下时，所述进水调节阀、出水调节阀按照如下步骤进行调节：
SS1.首先设置所述进水调节阀的初始开度为最小开度，并确保进水管路的水流量和压力都在预设的范围内；
SS2.根据所述被测动力设备的输出转速和/或扭矩的增加，逐渐增加所述进水调节阀的开度，以增加进入所述测功机水腔的冷却水流量，并根据设置在所述进水管路上的流量计、压力表的反馈信息适时调整调节所述进水调节阀的开度；
SS3.在所述被测动力设备的输出转速和/或扭矩的基础上，根据所述水力测功机的转速和/或制动扭矩来控制所述出水调节阀的开度，以精确控制冷却水的排出量；
SS4.根据所述出水管路上压力表、温度表的反馈信息，监控排出的冷却水压力和温度，确保排出水量不会影响冷却效果。
本发明的水力测功机瞬态运行的快速调节系统，其工作原理为：
本发明通过在辅助冷却水循环系统进水管路上增加一个调节阀来提高水腔内水量的调节速度。如果在给定转速条件下，要求水力测功机瞬态运行的调节速度较快，当被测动力设备升负荷时，同时增大调节辅助冷却水循环系统进水路上的调节阀开度和减小调节辅助冷却水循环系统出水路上的调节阀开度，使水腔内水量迅速增加，从而实现快速升高制动扭矩；当被测动力设备降负荷时，同时减小调节辅助冷却水循环系统进水路上的调节阀开度和增大调节辅助冷却水循环系统出水路上的调节阀开度，使水腔内水量迅速减小，从而实现快速降低制动扭矩。如果在给定制动扭矩条件下，要求水力测功机瞬态运行的调节速度较快，当被测动力设备升负荷时，同时增大辅助冷却水循环系统进水路上的调节阀开度和减小调节辅助冷却水循环系统出水路上的调节阀开度，使水腔内水量迅速增加，从而实现快速降低转速；当被测动力设备降负荷时，同时减小调节辅助冷却水循环系统进水路上的调节阀开度和增大调节辅助冷却水循环系统出水路上的调节阀开度，使水腔内水量迅速减小，从而实现快速升高转速。
本发明的上述水力测功机瞬态运行的快速调节系统实现了水力测功机瞬态运行的快速调节，但存在以下两个问题：首先，由于同时对辅助冷却水循环系统进水管路和出水管路上的调节阀开度进行调节，这会导致水力测功机工作稳定性较差，出现严重的转速超调或振荡现象，主要是因为水腔内的压力不稳定，水量微小变化也会引起扭矩发生变化，难以获得恒定的转速；其次，由于水腔内的水量变化速度主要取决于PID控制辅助冷却水循环系统进口和出水管路上调节阀的响应速度，在稳定条件下的PID参数设置可能无法满足水力测功机瞬态运行过程快速调节水腔内水量的要求。
优选地，通过所述进水调节阀使用PID闭环或开环控制的方式来调节所述测功机水腔内的水量，并当被测参数制动扭矩或转速未达到设定值时，停止调节所述进水调节阀，或直接将所述进水调节阀的开度调大最大或最小允许值，以改善所述水力测功机的工作不稳定性。
进一步地，当所述被测动力设备的输出扭矩超出设定值而其输出转速未超过设定值时，所述水力测功机的制动扭矩无法满足要求，则需进入跨临界转速模式进行调节，此时，所述进水调节阀采用PID闭环调节方式，所述测功机水腔内的水量由所述进水管路和出水管路上的调节阀共同控制，使所述水力测功机的转速达到临界转速，之后保持所述进水调节阀的开度不变，仅通过所述出水调节阀调节所述测功机水腔的出水量以控制转速，加快跨越临界转速区域的转速变化，直至达到设定的转速结束调节。
优选地，根据所述被测动力设备的工况参数，通过调节两所述PID控制器的PID参数设置，以改变所述进水调节阀、出水调节阀开度的响应速度，使其动态特性与所述水力测功机的瞬态特性匹配最佳。
进一步地，按照如下方式和步骤调节所述进水调节阀、出水调节阀的PID控制器的参数设置：
SS1.设定目标值：根据所述被测动力设备的工况参数设定所述水力测功机相应的目标值；
SS2.记录实际值：记录所述辅助冷却水循环系统中所述进水调节阀、出水调节阀的实际开度值、所述测功机水腔内的实际水量值；
SS3.比较目标值与实际值：将设定的目标值与实际值进行比较，分析两者之间的误差，确定是否需要调整两所述PID控制器的参数设置；
SS4.调整PID参数：根据误差分析结果，逐步调整两所述PID控制器的至少包括比例系数、积分时间、微分时间在内的参数设置，使得目标值与实际值之间的误差尽可能小；
SS5.重复操作直至满意：重复以上步骤，直至所述目标值与实际值之间的误差小于设定的阈值。
此外，作为本发明的第2个发明目的，本发明进一步提出了一种改善水力测功机工作不稳定性和满足瞬态快速调节的方法，基于本发明的上述水力测功机瞬态运行的快速调节系统，其特征在于，
在所述被测动力设备的输出转速保持不变的条件下，为提升所述水力测功机瞬态运行的调节速度，若所述被测动力设备的输出负荷增大，则增大所述进水调节阀的开度，并减小所述出水调节阀的开度，使所述测功机水腔内的水量迅速增加，从而快速升高所述水力测功机的制动扭矩；若所述被测动力设备的输出负荷降低，则减小所述进水调节阀的开度，并增大所述出水调节阀的开度，使所述测功机水腔内的水量迅速减小，从而快速降低所述水力测功机的制动扭矩；
在所述水力测功机的制动扭矩保持不变的条件下，为提升所述水力测功机瞬态运行的调节速度，若所述被测动力设备的输出负荷增大，则增大所述进水调节阀的开度，并减小所述出水调节阀的开度，使所述测功机水腔内的水量迅速增加，从而快速降低所述水力测功机的转速；若所述被测动力设备的输出负荷降低，则减小所述进水调节阀的开度，并增大所述出水调节阀的开度，使所述测功机水腔内的水量迅速减小，从而快速升高所述水力测功机的转速。
优选地，当所述被测动力设备的输出转速和/或扭矩在设定值之下时，所述进水调节阀的控制策略为开环控制，首先将所述进水调节阀的初始开度设置为最小开度，以保证所述测功机水腔内总是存在一定量的冷却水，随着所述被测动力设备的输出转速和/或扭矩逐渐增大，逐渐增加所述进水调节阀的开度，以增加进入所述测功机水腔的冷却水流量；所述出水调节阀的控制策略为闭环控制，并根据所述水力测功机的转速和/或制动扭矩来调节其开度，以控制冷却水的排出量。
优选地，当所述被测动力设备的输出转速和/或扭矩在设定值之下时，所述进水调节阀、出水调节阀按照如下步骤进行调节：
SS1.首先设置所述进水调节阀的初始开度为最小开度，并确保进水管路的水流量和压力都在预设的范围内；
SS2.根据所述被测动力设备的输出转速和/或扭矩的增加，逐渐增加所述进水调节阀的开度，以增加进入所述测功机水腔的冷却水流量，并根据设置在所述进水管路上的流量计、压力表的反馈信息适时调整调节所述进水调节阀的开度；
SS3.在所述被测动力设备的输出转速和/或扭矩的基础上，根据所述水力测功机的转速和/或制动扭矩来控制所述出水调节阀的开度，以精确控制冷却水的排出量。
优选地，通过所述进水调节阀使用PID闭环或开环控制的方式来调节所述测功机水腔内的水量，并当被测参数制动扭矩或转速未达到设定值时，停止调节所述进水调节阀，或直接将所述进水调节阀的开度调大最大或最小允许值，以改善所述水力测功机的工作不稳定性。
进一步地，当所述被测动力设备的输出扭矩超出设定值而其输出转速未超过设定值时，所述水力测功机的制动扭矩无法满足要求，则需进入跨临界转速模式进行调节，此时，所述进水调节阀采用PID闭环调节方式，所述测功机水腔内的水量由所述进水管路和出水管路上的调节阀共同控制，使所述水力测功机的转速达到临界转速，之后保持所述进水调节阀的开度不变，仅通过所述出水调节阀调节所述测功机水腔的出水量以控制转速，加快跨越临界转速区域的转速变化，直至达到设定的转速结束调节。
优选地，根据所述被测动力设备的工况参数，通过调节两所述PID控制器的PID参数设置，以改变所述进水调节阀、出水调节阀开度的响应速度，使其动态特性与所述水力测功机的瞬态特性匹配最佳。
进一步地，按照如下方式和步骤调节所述进水调节阀、出水调节阀的PID控制器的参数设置：
SS1.设定目标值：根据所述被测动力设备的工况参数设定所述水力测功机相应的目标值；
SS2.记录实际值：记录所述辅助冷却水循环系统中所述进水调节阀、出水调节阀的实际开度值、所述测功机水腔内的实际水量值；
SS3.比较目标值与实际值：将设定的目标值与实际值进行比较，分析两者之间的误差，确定是否需要调整两所述PID控制器的参数设置；
SS4.调整PID参数：根据误差分析结果，逐步调整两所述PID控制器的至少包括比例系数、积分时间、微分时间在内的参数设置，使得目标值与实际值之间的误差尽可能小；
SS5.重复操作直至满意：重复以上步骤，直至所述目标值与实际值之间的误差小于设定的阈值。
本发明的改善水力测功机工作不稳定性和满足瞬态快速调节的方法，其工作原理为：为改善水力测功机工作不稳定性以及稳定条件下的PID参数设置无法满足瞬态运行快速调节。本发明在辅助冷却水循环系统进水管路上的调节阀使用PID闭环或开环控制，当被调参数制动扭矩或转速未达到设定值，停止调节辅助冷却水循环系统进水路上的调节阀，或直接将辅助冷却水循环系统进水管路上的调节阀的开度调大最大或最小允许值，仅通过调节辅助冷却水循环系统出水管路上的调节阀来调节水腔内的水量，从而改善水力测功机工作的不稳定性。针对被测动力设备工况参数，通过调节PID参数设置改变辅助冷却水循环系统进口和出水管路上调节阀开度的响应速度，使辅助冷却水循环系统进口和出水管路上调节阀的动态特性与一定运行参数下的水力测功机的瞬态特性匹配最佳。
(三)技术效果
同现有技术相比，本发明的水力测功机瞬态运行的快速调节方法及系统，具有以下有益且显著的技术效果：
(1)本发明通过在辅助冷却水循环系统进水管路上增加一个调节阀，通过辅助冷却水循环系统进水和出水管路上的调节阀来共同调节水腔内的水量，能够快速有效地调节水力测功机的负荷和转速，从而提高了水力测功机瞬态运行的调节速度和工作效率，并可有效降低系统的震荡或超调等现象。
(2)本发明通过辅助冷却水循环系统进水管路上的调节阀使用PID闭环或开环控制：对于闭环控制，当被调参数制动扭矩或转速未达到设定值时，就停止调节，然后仅通过调节辅助冷却水循环系统出水路上的调节阀来调节水腔内的水量；对于开环控制，可直接将辅助冷却水循环系统进水管路上的调节阀的开度调大最大或最小允许值，从而提高水力测功机工作的稳定性。
(3)本发明针对被测动力设备工况的运行参数，通过调节PID参数改变辅助冷却水循环系统进口和出水管路上调节阀的响应速度，使辅助冷却水循环系统进口和出水管路上调节阀的动态特性与水力测功机运行瞬态特性匹配最佳，从而改善了调节阀调节性能不佳制约调节速度的问题。
附图说明
图1为一种水力测功机瞬态运行的快速调节系统示意图；
图2为某水力测功机特性曲线；
图3为跨临界转速模式控制方式示意图。
附图标记说明：
1-高速动力透平，2-齿轮箱，3-水力测功机，4-高位水箱，5-进水调节阀，6-进水管路，7-流量计，8-压力表，9-热水池，10-出水管路，11-出水调节阀，12-压力表，13-温度表，14-第一水循环泵，15-冷却塔，16-冷水池，17-第二水循环泵。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。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。下面结合附图对本发明的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本发明的一个实施例。
如图1所示，本发明的水力测功机瞬态运行的快速调节系统，至少包括一水力测功机3和一与水力测功机3传动连接的被测动力设备(本实施例中被测动力设备为设置在兆瓦级超临界二氧化碳发电系统中的一高速动力透平1，水力测功机3的主轴通过一齿轮箱2与被测动力设备的动力输出轴传动连接)，水力测功机3的转速和/或制动扭矩根据被测动力设备的输出转速和/或功率来确定。
水力测功机3至少包括一水力测功机本体和一与水力测功机本体相适配的辅助冷却水循环系统，其中，水力测功机本体至少包括一整体呈环形的测功机定子和一设置在主轴上的测功机转子，测功机转子同轴设置在测功机定子内，且测功机定子的内壁表面上以及测功机转子的外壁表面上均阵列设置有凹坑，测功机定子与测功机转子之间的环形间隙以及二者表面上的凹坑形成为测功机水腔。辅助冷却水循环系统，至少包括一高位水箱4、一热水池9、一冷却塔15、一冷水池16，其中，高位水箱4的设置高度高于水力测功机，且高位水箱4通过一进水管路6与测功机水腔的进口连通，热水池9通过一出水管路10与测功机水腔的出口连通，热水池9通过一冷却塔15与冷水池16连通，且热水池9与冷却塔15之间的连通管路上设置有第一水循环泵14，冷水池16通过一设置有第二水循环泵17的连通管路与高位水箱4连通，进水管路6上至少设有一进水调节阀5，出水管路10上至少设有一出水调节阀11，且进水调节阀5、出水调节阀11上分别对应设置有PID控制器，通过两PID控制器同时调节进水调节阀5、出水调节阀11的开度，以快速调节测功机水腔内的水量，并通过调节两PID控制器的PID参数设置来改变进水调节阀5、出水调节阀11的响应速度，使之与水力测功机运行的瞬态特性匹配。
本发明的水力测功机瞬态运行的快速调节系统在工作时，在被测动力设备转速保持不变的条件下，为提升水力测功机3瞬态运行的调节速度，若被测动力设备的负荷增大，则增大进水调节阀5的开度，并减小出水调节阀11的开度，使测功机水腔内的水量迅速增加，从而快速升高水力测功机3的制动扭矩；若被测动力设备的负荷降低，则减小进水调节阀5的开度，并增大出水调节阀11的开度，使测功机水腔内的水量迅速减小，从而快速降低水力测功机3的制动扭矩。此外，在水力测功机3的制动扭矩保持不变的条件下，为提升水力测功机3瞬态运行的调节速度，若被测动力设备的负荷增大，则增大进水调节阀5的开度，并减小出水调节阀11的开度，使测功机水腔内的水量迅速增加，从而快速降低水力测功机3的转速；若被测动力设备的负荷降低，则减小进水调节阀5的开度，并增大出水调节阀11的开度，使测功机水腔内的水量迅速减小，从而快速升高水力测功机3的转速。
本发明优选的实例中，当被测动力设备的输出转速和/或扭矩在设定值之下时，进水调节阀5的控制策略为开环控制，首先将进水调节阀5的初始开度设置为最小开度，以保证测功机水腔内总是存在一定量的冷却水，随着被测动力设备的输出转速和/或扭矩逐渐增大，逐渐增加进水调节阀5的开度，以增加进入测功机水腔的冷却水流量；出水调节阀11的控制策略为闭环控制，并根据水力测功机3的转速和/或制动扭矩来调节其开度，以控制冷却水的排出量。
本发明进一步的实例中，进水管路6上还至少设有一流量计7、一压力表8，流量计7用以监测进水管路中冷却水的实际流量，如果流量过低，则增加进水调节阀5的开度以增加冷却水的流量；压力表8用以监测进水管路中冷却水的水压，以确保冷却水足够满足水力测功机3的要求。出水管路10上还至少设有一压力表12、一温度表13，压力表12和温度表13分别用于监测排出冷却水的压力和温度，以确保控制的准确性，并确保出水温度不超过允许的范围。
本发明进一步的实例中，当被测动力设备的输出转速和/或扭矩在设定值之下时，进水调节阀5、出水调节阀11按照如下步骤进行调节：
SS1.首先设置进水调节阀5的初始开度为最小开度，并确保进水管路的水流量和压力都在预设的范围内；
SS2.根据被测动力设备的输出转速和/或扭矩的增加，逐渐增加进水调节阀5的开度，以增加进入测功机水腔的冷却水流量，并根据设置在进水管路6上的流量计7、压力表8的反馈信息适时调整调节进水调节阀5的开度；
SS3.在被测动力设备的输出转速和/或扭矩的基础上，根据水力测功机3的转速和/或制动扭矩来控制出水调节阀11的开度，以精确控制冷却水的排出量；
SS4.根据出水管路10上压力表、温度表13的反馈信息，监控排出的冷却水压力和温度，确保排出水量不会影响冷却效果。
本发明优选的实例中，通过进水调节阀5使用PID闭环或开环控制的方式来调节测功机水腔内的水量，并当被测参数制动扭矩或转速未达到设定值时，停止调节进水调节阀5，或直接将进水调节阀5的开度调大最大或最小允许值，以改善水力测功机的工作不稳定性。
本发明进一步的实例中，当被测动力设备的输出扭矩超出设定值而其输出转速未超过设定值时，水力测功机的制动扭矩无法满足要求，则需进入跨临界转速模式进行调节，此时，进水调节阀5采用PID闭环调节方式，测功机水腔内的水量由进水管路和出水管路上的调节阀共同控制，使水力测功机的转速达到临界转速，之后保持进水调节阀5的开度不变，仅通过出水调节阀11调节测功机水腔的出水量以控制转速，加快跨越临界转速区域的转速变化，直至达到设定的转速结束调节。
更加具体的，如图1～3所示，在兆瓦级超临界二氧化碳发电系统试验过程中，采用水力测功机3来测量高速动力透平1的输出功率，如果高速动力透平1的主轴采用非刚性轴，为了保障高速动力透平1工作的稳定性，要求转子转速必须快速跨过临界转速。如果给定水力测功机的制动扭矩，这要求水力测功机瞬态运行过程中有着足够快的调节速度，以至于尽可能快速跨过临界转速所在的区间，否则，长时间在临界转速下运行，将发生强烈的转子共振，而引起严重的后果。
如图1所示，高速动力透平1通过带有齿轮箱2的轴连接水力测功机3，当透平出力时，带动水力测功机3的主轴旋转，冷却水从高位水箱4进入水力测功机3的水腔，设置在进水管路6上的进水调节阀5开度随着油门增大而逐渐增加，此时进水管路6上的进水调节阀5开度采用开环调节的方式，进水调节阀5开度设置最小开度以保证水腔内总是存在一定量的冷却水。在进水管路6上设有流量计7和压力表8，用来分别测量冷却水的流量和压力。水力测功机3水腔内部冷却水在转子搅动下发生强烈的旋转，在这个过程中机械能通过冷却水从转子传递到定子转化为热能。同时，具有一定厚度的旋转水层带动水力测功机3的壳体摆动，从而将力矩和转速分别传给拉压力传感器和转速传感器，并转换成电压信号送至检测控制仪器读出，最终测量出透平输出的功率、扭矩及转速。然后，具有一定温度的冷却水排入热水池9，排出的水量由出水管路10上的调节阀11控制，调节阀11采用闭环调节方式，排水量取决于油门大小及水力测功机3的转速或制动扭矩。在出水管路上10设有压力表12和温度表13用来分别测量排出的冷却水压力和温度，冷却水的出水温度不能超过允许值。排出的冷却水经第一水循环泵14在冷却塔15中被冷却到一定温度进入冷水池16，再经过第二水循环泵17又回到高位水箱4，完成了一个完整地循环。
随着高速动力透平1出力到一定值时，如果在临界转速以下，水力测功机3的制动扭矩无法满足要求时，此时，高速动力透平1转速必须跨过临界转速，水力测功机3瞬态运行调节模式进入跨临界转速模式。跨临界转速模式的特点在于进水管路6上的调节阀5开度采用PID闭环调节的方式，水腔内的水量由进水管路6上的调节阀5和出水管路10上的调节阀11共同控制。
以国内某水力测功机为例，水力测功机的特性曲线见图2，高速动力透平1临界转速位于区间1750～2250rmp。当透平1出力功率为1500kW时，此时要求水力测功机3在最大扭矩下，从1750rmp快速跨过2250rmp，这里转速设定值设置为略大于临界转速区间的上限2300rmp。通过进水管路6上的调节阀5和出水管路10上的调节阀11共同控制，使水力测功机的转速达到2250rmp时，进水管路6上的调节阀5开度保持不变，仅通过出水管路10上的调节阀11来调节水腔内出水量来控制转速，当转速达到2300rmp时，跨临界转速模式调节结束。
在跨临界转速模式下，由于水力测功机3水腔内的水量变化速度主要取决于PID控制辅助冷却水循环系统进水管路6上进水调节阀5和出水管路10上出水调节阀11的开度响应速度，但在稳定条件下的PID参数设置可能无法满足水力测功机3瞬态运行过程快速调节水腔内水量的要求。因此，有必要通过调节PID的参数设置来提高瞬态运行过程中冷却水循环系统进水管路6上的调节阀5和出水管路10上的调节阀11的调节性能。
跨临界转速模式控制方式见图3，在进入跨临界转速模式之前，通过反复改变冷却水循环系统进水管路6上的调节阀5和出水管路10上的调节阀11的PID参数设置，直至得到满意的控制速度，然后再进入跨临界转速模式。具体地，可按照如下方式和步骤反复调节进水调节阀5、出水调节阀11的PID控制器的参数设置：
SS1.设定目标值：根据被测动力设备的工况参数设定水力测功机相应的目标值；
SS2.记录实际值：记录辅助冷却水循环系统中进水调节阀5、出水调节阀11的实际开度值、测功机水腔内的实际水量值；
SS3.比较目标值与实际值：将设定的目标值与实际值进行比较，分析两者之间的误差，确定是否需要调整两PID控制器的参数设置；
SS4.调整PID参数：根据步骤SS7的误差分析结果，逐步调整两PID控制器的至少包括比例系数、积分时间、微分时间在内的参数设置，使得目标值与实际值之间的误差尽可能小；
SS5.重复操作直至满意：不断重复以上步骤，直至得到目标值与实际值之间的误差小于设定的阈值以达到满意的控制速度。
通过上述反复调整PID控制器的参数设置的方法，可以提高调节性能，并得到满意的控制速度，从而实现水力测功机稳定运行和瞬态运行调节能力的双重提升。
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
Claims (10)
1.一种水力测功机瞬态运行的快速调节系统，至少包括一水力测功机和一与所述水力测功机传动连接的被测动力设备，所述水力测功机的转速和/或制动扭矩根据所述被测动力设备的输出转速和/或功率来确定，其特征在于，
所述水力测功机至少包括一水力测功机本体和一与所述水力测功机本体相适配的辅助冷却水循环系统，其中，
所述水力测功机本体至少包括一整体呈环形的测功机定子和一设置在主轴上的测功机转子，所述测功机转子同轴设置在所述测功机定子内，且所述测功机定子的内壁表面上以及所述测功机转子的外壁表面上均阵列设置有凹坑，所述测功机定子与测功机转子之间的环形间隙以及二者表面上的凹坑形成为测功机水腔；
所述辅助冷却水循环系统，至少包括一高位水箱、一热水池、一冷却塔、一冷水池，其中，所述高位水箱的设置高度高于所述水力测功机，且所述高位水箱通过一进水管路与所述测功机水腔的进口连通，所述热水池通过一出水管路与所述测功机水腔的出口连通，所述热水池通过一冷却塔与所述冷水池连通，且所述热水池与冷却塔之间的连通管路上设置有第一水循环泵，所述冷水池通过一设置有第二水循环泵的连通管路与所述高位水箱连通，
所述进水管路上至少设有一进水调节阀，所述出水管路上至少设有一出水调节阀，且所述进水调节阀、出水调节阀上分别对应设置有PID控制器，通过两所述PID控制器同时调节所述进水调节阀、出水调节阀的开度，以快速调节所述测功机水腔内的水量，并通过调节两所述PID控制器的PID参数设置来改变所述进水调节阀、出水调节阀的响应速度，使之与所述水力测功机运行的瞬态特性匹配。
2.根据权利要求1所述的水力测功机瞬态运行的快速调节系统，其特征在于，所述水力测功机的主轴通过一齿轮箱与所述被测动力设备的动力输出轴传动连接。
3.根据权利要求1所述的水力测功机瞬态运行的快速调节系统，其特征在于，在所述被测动力设备转速保持不变的条件下，为提升所述水力测功机瞬态运行的调节速度，若所述被测动力设备的负荷增大，则增大所述进水调节阀的开度，并减小所述出水调节阀的开度，使所述测功机水腔内的水量迅速增加，从而快速升高所述水力测功机的制动扭矩；若所述被测动力设备的负荷降低，则减小所述进水调节阀的开度，并增大所述出水调节阀的开度，使所述测功机水腔内的水量迅速减小，从而快速降低所述水力测功机的制动扭矩。
4.根据权利要求1所述的水力测功机瞬态运行的快速调节系统，其特征在于，在所述水力测功机的制动扭矩保持不变的条件下，为提升所述水力测功机瞬态运行的调节速度，若所述被测动力设备的负荷增大，则增大所述进水调节阀的开度，并减小所述出水调节阀的开度，使所述测功机水腔内的水量迅速增加，从而快速降低所述水力测功机的转速；若所述被测动力设备的负荷降低，则减小所述进水调节阀的开度，并增大所述出水调节阀的开度，使所述测功机水腔内的水量迅速减小，从而快速升高所述水力测功机的转速。
5.根据权利要求1所述的水力测功机瞬态运行的快速调节系统，其特征在于，当所述被测动力设备的输出转速和/或扭矩在设定值之下时，所述进水调节阀的控制策略为开环控制，首先将所述进水调节阀的初始开度设置为最小开度，以保证所述测功机水腔内总是存在一定量的冷却水，随着所述被测动力设备的输出转速和/或扭矩逐渐增大，逐渐增加所述进水调节阀的开度，以增加进入所述测功机水腔的冷却水流量；所述出水调节阀的控制策略为闭环控制，并根据所述水力测功机的转速和/或制动扭矩来调节其开度，以控制冷却水的排出量。
6.根据权利要求1所述的水力测功机瞬态运行的快速调节系统，其特征在于，所述进水管路上还至少设有一流量计、一压力表，所述流量计用以监测所述进水管路中冷却水的实际流量，如果流量过低，则增加所述进水调节阀的开度以增加冷却水的流量。
7.根据权利要求1所述的水力测功机瞬态运行的快速调节系统，其特征在于，所述进水管路上还至少设有一压力表，所述压力表用以监测所述进水管路中冷却水的水压，以确保冷却水足够满足所述水力测功机的要求。
8.根据权利要求1所述的水力测功机瞬态运行的快速调节系统，其特征在于，所述出水管路上还至少设有一压力表、一温度表，所述压力表和温度表分别用于监测排出冷却水的压力和温度，以确保控制的准确性，并确保出水温度不超过允许的范围。
9.根据权利要求5所述的水力测功机瞬态运行的快速调节系统，其特征在于，当所述被测动力设备的输出转速和/或扭矩在设定值之下时，所述进水调节阀、出水调节阀按照如下步骤进行调节：
SS1.首先设置所述进水调节阀的初始开度为最小开度，并确保进水管路的水流量和压力都在预设的范围内；
SS2.根据所述被测动力设备的输出转速和/或扭矩的增加，逐渐增加所述进水调节阀的开度，以增加进入所述测功机水腔的冷却水流量，并根据设置在所述进水管路上的流量计、压力表的反馈信息适时调整调节所述进水调节阀的开度；
SS3.在所述被测动力设备的输出转速和/或扭矩的基础上，根据所述水力测功机的转速和/或制动扭矩来控制所述出水调节阀的开度，以精确控制冷却水的排出量；
SS4.根据所述出水管路上压力表、温度表的反馈信息，监控排出的冷却水压力和温度，确保排出水量不会影响冷却效果。
10.根据权利要求9所述的水力测功机瞬态运行的快速调节系统，其特征在于，通过所述进水调节阀使用PID闭环或开环控制的方式来调节所述测功机水腔内的水量，并当被测参数制动扭矩或转速未达到设定值时，停止调节所述进水调节阀，或直接将所述进水调节阀的开度调大最大或最小允许值，以改善所述水力测功机的工作不稳定性。
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