基于熱發(fā)電的電廠儀控系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電廠儀控仿真技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于熱發(fā)電的電廠儀控系統(tǒng)的 半實(shí)物仿真平臺及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于電廠工作環(huán)境的特殊性，高校的科研人員不可能深入電廠一線來進(jìn)行電廠方 面的理論的研究，所以搭建一個(gè)半實(shí)物的仿真平臺的必要性顯現(xiàn)出來了。電廠的種類有很 多，如火電廠，核電廠，水電廠，風(fēng)力發(fā)電廠等，其中火電廠的比例占了絕大多數(shù)。若有一個(gè) 半實(shí)物的仿真平臺能夠被搭建起來，高校的研究者們就可以利用此平臺，對電廠的工藝流 程進(jìn)行熟悉，對電廠的控制方法進(jìn)行探索，對電廠的管理方法進(jìn)行研究，從而大大提高電廠 的研究成果，推動電廠的發(fā)展。雖然不能像電廠設(shè)備那樣工作在苛刻的環(huán)境下，但在實(shí)驗(yàn)室 環(huán)境下，該半實(shí)物仿真平臺能夠大體的模擬電廠的工藝流程和控制方法，并且實(shí)驗(yàn)室環(huán)境 下，研究的自由度更大，所以該半實(shí)物仿真平臺對研究的意義重大。
[0003] 相比于軟件仿真系統(tǒng)，半實(shí)物仿真系統(tǒng)更具有實(shí)際操作的價(jià)值，這讓研究有了一 個(gè)實(shí)際的看得見摸得著的對象，這更有利于課題研究的展開，使得理論上的推導(dǎo)可以在實(shí) 際對象中得以驗(yàn)證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供了一種基于熱 發(fā)電的電廠儀控系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺及控制方法，控制器自動的調(diào)節(jié)供給汽輪機(jī)的空氣 的流量，并形成反饋，來更真實(shí)的模擬熱發(fā)電工業(yè)過程。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] 基于熱發(fā)電的電廠儀控系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺，包括加熱器、換熱器、空氣栗、汽 輪機(jī)和控制器加熱器的出口通過管道與換熱器的入口連接，并且其之間的管道上設(shè)有溫度 傳感器，換熱器的出口通過管道與汽輪機(jī)的入口連接，空氣栗的出口通過管道與換熱器的 出口連接，換熱器的出口與汽輪機(jī)的入口之間的管道上設(shè)有流量計(jì)和電磁閥，控制器通過 I/O板卡分別與溫度傳感器、流量計(jì)和電磁閥連接。
[0007] 接上述技術(shù)方案，所述加熱器包括加熱電阻絲和加熱罐，加熱電阻絲設(shè)置于加熱 罐內(nèi)。
[0008] 接上述技術(shù)方案，所述加熱器包括有多個(gè)加熱電阻絲，多個(gè)加熱電阻絲分布于加 熱罐內(nèi)的不同位置，加熱罐上設(shè)有多個(gè)出口，每個(gè)出口對應(yīng)連接一個(gè)換熱器，每個(gè)加熱罐的 出口分別通過管道與對應(yīng)的換熱器的入口連接，每個(gè)加熱罐的出口的管道上均設(shè)有一個(gè)溫 度傳感器，多個(gè)換熱器的出口的管道匯合到一起，再經(jīng)過一個(gè)流量計(jì)和電磁閥與汽輪機(jī)的 入口連接。
[0009] 接上述技術(shù)方案，所述加熱電阻絲個(gè)數(shù)為2~4個(gè)。
[0010]接上述技術(shù)方案，所述控制器包括PLC。
[0011] 接上述技術(shù)方案，所述半實(shí)物仿真平臺還包括負(fù)載，汽輪機(jī)帶動負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0012] 采用以上所述的基于熱發(fā)電的電廠儀控系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺所使用的控制方 法，其特征在于，包括以下步驟：
[0013] 1)控制器通過溫度傳感器檢測加熱器出口的溫度T;
[0014] 2)控制器根據(jù)檢測的加熱器出口的溫度T及傳遞函數(shù)公式，計(jì)算出空氣栗應(yīng)輸出 的空氣流量Q;
[0015] 3)實(shí)際輸出的空氣流量可能會因?yàn)槟承┮蛩匕l(fā)生波動，通過流量計(jì)測量管道匯總 過來的空氣流量，作為反饋信號反饋至控制器，控制器據(jù)此可以將空氣流量穩(wěn)定維持在設(shè) 定值；
[0016] 4)控制算法采用模糊PID控制，根據(jù)實(shí)際的空氣流量和流量的變化率，通過調(diào)節(jié)電 磁閥的開度來動態(tài)調(diào)節(jié)換熱器出口的空氣流量，改變汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速。
[0017] 接上述技術(shù)方案，所述步驟2)中，傳遞函數(shù)公式為：
其中T為加熱 器出口的溫度，Q為根據(jù)計(jì)算空氣栗應(yīng)該輸出的空氣流量。
[0018] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0019] 加熱器模擬核反應(yīng)推或電廠中動力源，換熱器和空氣栗用來模擬蒸汽發(fā)生器，空 氣栗為汽輪機(jī)提供足夠的空氣流量，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下不能用高溫將水燒開產(chǎn)生蒸汽的方法 來推動汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動，為了克服了推動汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動的難題，采用空氣壓縮機(jī)鼓入動氣的方法， 可以解決這個(gè)問題，控制器根據(jù)加熱器出口的溫度變化和檢測到換熱器出口的實(shí)際空氣流 量來動態(tài)調(diào)整電磁閥的開度，進(jìn)而調(diào)節(jié)換熱器出口的空氣流量使汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化， 并形成反饋，來更真實(shí)的模擬熱發(fā)電工業(yè)過程。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例中基于熱發(fā)電的電廠儀控系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺的結(jié)構(gòu)原理 圖；
[0021] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中基于熱發(fā)電的電廠儀控系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺的控制原理 圖；
[0022]圖中，1-加熱器，2-換熱器，3-空氣栗，4-汽輪機(jī)，5-溫度傳感器，6-流量計(jì)，7-電磁 閥，8-負(fù)載，9-PLC。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0024]參照圖1~圖2所示，本發(fā)明提供的一個(gè)實(shí)施例中的基于熱發(fā)電的電廠儀控系統(tǒng)的 半實(shí)物仿真平臺，包括加熱器1、換熱器2、空氣栗3、汽輪機(jī)4和控制器，加熱器1的出口通過 管道與換熱器2的入口連接，并且其之間的管道上設(shè)有溫度傳感器5,換熱器2的出口通過管 道與汽輪機(jī)4的入口連接，空氣栗3的出口通過管道與換熱器2的出口連接，換熱器2的出口 與汽輪機(jī)4的入口之間的管道上設(shè)有流量計(jì)6和電磁閥7,控制器分別與溫度傳感器5、流量 計(jì)6和電磁閥7連接，控制器通過溫度傳感器5檢測加熱器1的出口的溫度，流量計(jì)6檢測換熱 器2的出口的空氣流量，并反饋至控制器，控制器根據(jù)加熱器1的出口的溫度變化和檢測到 換熱器2的出口的實(shí)際空氣流量來動態(tài)調(diào)整電磁閥7的開度，進(jìn)而調(diào)節(jié)換熱器2所提供的壓 力使汽輪機(jī)4的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化;加熱器1模擬核反應(yīng)推或電廠中動力源，換熱器2和空氣栗3 用來模擬蒸汽發(fā)生器，空氣栗3為汽輪機(jī)4提供足夠的空氣流量，控制器自動的調(diào)節(jié)供給汽 輪機(jī)4的空氣的流量，并形成反饋，來更真實(shí)的模擬熱發(fā)電工業(yè)過程。
[0025] 進(jìn)一步地，所述電磁閥7為調(diào)節(jié)空氣流量的閥。
[0026] 進(jìn)一步地，所述加熱器1包括加熱電阻絲和加熱罐，加熱電阻絲設(shè)置于加熱罐內(nèi)。
[0027] 進(jìn)一步地，所述加熱器1包括有多個(gè)加熱電阻絲，多個(gè)加熱電阻絲分布于加熱罐內(nèi) 的不同位置，加熱罐上設(shè)有多個(gè)出口，每個(gè)出口對應(yīng)設(shè)有一個(gè)換熱器2,每個(gè)加熱罐的出口 分別通過管道與對應(yīng)的換熱器2的入口連接，每個(gè)加熱罐的出口的管道上均設(shè)有一個(gè)溫度 傳感器5，多個(gè)換熱器2的出口的管道匯合到一起，再經(jīng)過一個(gè)流量計(jì)6和電磁閥7與汽輪機(jī)4 的入口連接。
[0028] 進(jìn)一步地，所述加熱電阻絲個(gè)數(shù)為3個(gè)，加熱罐上對應(yīng)設(shè)有3個(gè)出口。
[0029] 進(jìn)一步地，所述控制器包括PLC9。
[0030] 進(jìn)一步地，所述半實(shí)物仿真平臺還包括負(fù)載8,汽輪機(jī)4帶動負(fù)載8運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0031] 采用以上所述的基于熱發(fā)電的電廠儀控系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺所使用的控制方 法，包括以下步驟：
[0032] 1)控制器通過溫度傳感器5檢測加熱器1出口的溫度T;
[0033] 2)控制器根據(jù)檢測的加熱器1的出口的溫度T及傳遞函數(shù)公式，計(jì)算出空氣栗3應(yīng) 輸出的空氣流量Q;
[0034] 3)實(shí)際輸出的空氣流量可能會因?yàn)槟承┮蛩匕l(fā)生波動，采用閉環(huán)控制，通過流量 計(jì)6測量管道匯總過來的空氣流量，作為反饋信號反饋至控制器，控制器據(jù)此可以將空氣流 量穩(wěn)定維持在設(shè)定值；
[0035] 4)控制算法采用模糊PID控制，根據(jù)實(shí)際的空氣流量和流量的變化率，通過調(diào)節(jié)電 磁閥7的開度動態(tài)調(diào)節(jié)換熱器2的出口的空氣流量，改變汽輪機(jī)4的轉(zhuǎn)速。
[0036] 本發(fā)明的工作原理：
[0037] 系統(tǒng)硬件工作原理:基于熱發(fā)電的電廠儀控系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺由加熱器1，換 熱器2,空氣栗3,汽輪機(jī)4,負(fù)載8,電磁閥7,溫度傳感器5,流量計(jì)6,以及相應(yīng)的管道，電氣， 機(jī)械連接組成，可以用于模擬研究核發(fā)電廠，也可推廣到基于熱原理發(fā)電的電廠的研究。
[0038] 以壓水堆核電站為例，壓水堆核電站主要由3個(gè)回路組成，一回路包括核反應(yīng)堆， 穩(wěn)壓器，水栗以及管道，閥門等等，二回路包括蒸汽發(fā)生器，水栗以及管道，閥門等等，三回 路是冷凝回路，將二回路的蒸汽冷凝成水循環(huán)使用。
[0039] 在核電實(shí)際現(xiàn)場，核反應(yīng)堆里面產(chǎn)生核裂變反應(yīng)，產(chǎn)生巨大的熱量，該熱量由冷卻 劑水帶出，并在水栗的作用下，一回路的水形成循環(huán)流動，不斷地帶走反應(yīng)堆堆芯的熱量， 帶走的熱量在蒸汽發(fā)生器里面發(fā)生熱交換，把二回路的水加熱至沸騰，產(chǎn)生蒸汽，推動汽輪 機(jī)4轉(zhuǎn)動，帶動負(fù)載8發(fā)電。
[0040] 但是，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，產(chǎn)生過高的溫度和壓力會比較危險(xiǎn)，所以不能用高溫將水燒 開產(chǎn)生蒸汽的方法來推動汽輪機(jī)4轉(zhuǎn)動，汽輪機(jī)4的轉(zhuǎn)動需要一定的空氣的壓力和流速，所 以可以用空氣栗3栗入空氣的方法來使汽輪機(jī)4轉(zhuǎn)動;首先應(yīng)設(shè)定好空氣栗3的正常工作的 參數(shù)，如供電電壓等，然后可