（电气工程专业论文）汽轮机电液调节系统参数辨识及控制系统的仿真和应用.pdf

垒e 态! 茎查圭丝堑 垣薹 汽轮机电液调节系统参数辨识及控制系统的仿真和应用 摘要 随着电力系统的飞速发展，数字式电液控制系统，成为当今汽轮机特别是大型汽 轮机必不可少的控制系统。针对当前电厂汽轮机机组的经济、安全稳定运行的要求，通 过对调速系统模型参数进行辨识和仿真，可以监测系统的运行状态和特性变化，预测调 速系统的性能，为调速系统调试整定提供参考依据。所以调速系统模型的建立和参数的 正确辨识对于电网的稳定分析具有重要意义。 本文研究了经典的参数辨识方法及控制系统的仿真和应用。对小型汽轮发电机组的 电液调节系统的建模及其各个环节的参数辫识提供了可靠的依据。并根据辨识模型，利 用集散控制系统进行仿真且应用于现场实际以检验辨识的结果和控制方案。 本文采用的辨识方法是相关分析辨识及最小二乘法，相关分析辨识法是利用输入与 输出数据的自相关和互相关函数求取系统频率特性，进而拟合出其传递函数的方法。而 最小二乘法是一个经典的方法，概念简明，适用范围广，不需要很多的数理统计知识。 首先，通过仿真试验分析了这两种辨识算法在不同采样频率下与不同激励信号下的 辨识精度问题，在通过仿真手段确定了合适的激励信号和采样周期后，将这两种辨识算 法应用于现场调节系统的辨识，在对现场采集来的数据做了定的数据预处理工作后， 辨识计算工作得到了较为理想的结果。目前，大多参数辨识的研究还停留在仿真及辨识 方法的研究。而本文的研究已经将参数辨识应用到了现场试验，通过自己编制递推最小 二乘法程序以及相关辨识算法的程序，在节省了相当的试验费用的同时亦取得了良好的 试验效果。 其次，在集散控制系统中进行闭环模拟实验以检验辨识的参数，同时，检验控制方 案的可行性。在实际控制方案中，以功率控制为例，进行现场运行，根据运行的曲线达 到理想的效果，由此可知，本方法有着广阔的应用前景。 关键词：汽轮机电液调节系统控制系统参数辨识 1 1 1 s t e a mt u r b i n ed e h s y s t e mp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o na n d c o n t r o ls y s t e ms i m u l a t i o na p p l i c a t i o n a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ed e hs y s t e mi sa b s o l u t e l yn e c e s s a r i l yc o n t r o ls y s t e mo fs t e a mt u r b i n e e s p e c i a l l yl a r g es t e a mt u r b i n ew i t hd e e p l yd e v e l o p m e n to fe l e c t r i cs y s t e m i nt h ec o n d i t i o no f e s s e n t i a l ，s a f e 、s t e a d y o fs t e a mt u r b i n e t h r o u g hi d e n t i f y i n ga n ds i m u l a t i n gt h ed e h s y s t e m ，w ec a nm o n i t o rt h eo p e r a t i o n a ls t a t ea n dt h ec h a n g e so fc h a r a c t e r i s t i ca n dp r e d i c tt h e p e r f o r m a n c eo fd e hs y s t e m ，t h u s ，p r o v i d i n gi m p o r t a n tr e f e r e n c ef o r t h ed e hs y s t e m s r e g u l a t i o nt h e r e f o r et h ee s t a b l i s h m e n to ft h em o d e lo fd e hs y s t e ma n dt h ei d e n t i f i c a f i o no f i t sp a r a m e t e r sa r es i g n i f i c a n tf o rt h es t e a d ya n a l y s i so ft h ee l e c t r i cn e t w o r k i nt h i s p a p e r , w e r e s e a r e dc l a s s i c a l p a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o nm e t h o d sa n d s i m u l a t i o n - - a p p l i c a t i o no fc o n t r o l i cs y s t e m ，i ti sr e l i a b l ee v i d e n c et ot h ee s t a b l i s h m e n to f d e hm o d e la n di t sp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o ni nt h es m a l lp o w e rp l a n t w ee m u l a t ea n da p p l y r e s u l to fi d e n t i f i c a t i o na n dc o n t r o l i cs c h e m ei nd c sa c c o r d i n gt oi d e n t i f i c a t i cm o d e l s i ti sa p p l i e dt w op a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n ，t h ec o r r e l a t i o nm e t h o da n dt h el e a s ts q u a r e m e t h o di nt h i s p a p e r t h ec o r r e l a t i o nm e t h o di st h eo n et h a tc o m p u t e st h ef r e q u e n c y r e s p o n s eo ft h ec o m p o n e n t so fd e hb yu t i l i z i n gt h ei n p u ta n do u t p u td a t a ，a n dt h e nc a l c u l a t e s t h et r a n s f e rf u n c t i o no ft h ed e hs y s t e mb yu s i n gl e v ym e t h o d t h el e a s ts q u a r em e t h o di sa c l a s s i c a li d e n t i f i c a t i o nm e t h o dw h i c hi ss oc o n c i s ea n du s e ds ow i d e l yt h a ti tc a nb eu s e d w i t h o u tm u c hs t a t i s t i ca n dm a t h e m a t i c a lk n o w l e d g e f i r s t ，w ea n a l y z et h ep r e c i s i o no ft h ei d e n t i f i c a t i o np r o c e d u r ei nd i f f e r e n ts a m p l i n g f r e q u e n c i e sa n di nd i f f e r e n ti n p u ts i g n a l st h r o u g hs i m u l a t i o n t h e nw et a k et h e s et w o i d e n t i f i c a t i o nm e t h o d si n t ot h ep r a c t i c a lt e s ta f t e ra s c e r t a i n i n gt h ea p p r o p r i a t ei n p u ts i g n a la n d s a m p l i n gf r e q u e n c y b yp r e t r e a t m e n t o ft h er e a l d a t a ，s a t i s f a c t o r y r e s u l t sa b o u tt h e i d e n t i f i c a t i o na r ea c h i e v e d a tp r e s e n t ，m o s ts t u d i e so np a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o ni nc h i n aa r e s t i l ll i m i t e di nr e s e a r c ho ft h es i m u l a t i o na n di d e n t i f i c a t i o nm e t h o d si nt h i sp a p e r ，w eh a v e a l r e a d ya p p l i e dt h ei d e n t i f i c a t i o n m e t h o dt op r a c t i c e t h r o u g hp r o g r a m m i n gp a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o ns o f t w a r em u c hm o n e yi ss a v e da n dg o o dr e s u l t sa r ea c h i e v e d a l t h o u g ht h e i d e n t i f i c a t i o nr e s u l t ss t i l lh a v es o f t i ed i f f e r e n c eb e t w e e nac o m p u t e do rm e a s u r e dv a l u ea n da t r u eo rt h e o r e t i c a l l yc o r r e c tv a l u ei np r a c t i c e ，t h ei d e n t i f i c a t i o ni np r a c t i c ea c h i e v e si t sg o a li n t h ew h o l ei d e n t i f i c a t i o np r o c e s s i th a sab r i g h tp r o s p e c ti na p p l i c a t i o n s e c o n d ，w ee m u l a t ec l o s e dl o o pt e s ta n dp r o v ei d e n t i f i c a t i o np a r a m e t e ri nd c s a n d p r o v i n gf e a s i b i l i t y o fc o n t r o l i c s y s t e m i na c t u a lc o n t r o l i cs y s t e m ，f o re x a m p l ep o w e r c o n t r o l ，i ti si d e a le f f e c ta c c o r d i n gt ot h ec u r v eo ft h ef a c t ，t h e r e f o r e ，i ta l s op u t sf o n h i m p r o v e m e n t i nt h ei d e n t i f i c a t i o ni nf u t u r e k e yw o r d s ：s t e a mt u r b i n e ，d e hs y s t e m ，p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n ，c o n t r o ls y s t e m v 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：饼 日期：2 0 0 6 年1 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字曰期：彦形 导师签名： 签字日期： 塞壅占堂些_ 釜垒一一一 丝三塞堑垒 第一章绪论 1 。1 调速系统模型建立参数辨识及仿真的意义 1 1 1 、汽轮机控制装置的发展经历的阶段雎3 1 、最早：机械式液压调节系统m h c - - m e c h a n i c a lh y d r a u l i cc o n 订o l 2 、6 0 年代初：电气式液压调节系统e h c - - e l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o l - * e h c 与m h c 并存 3 、6 0 年代中：模拟式电气压液调节系统a e h - - a n a l o ge l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o l - - * a e h 纯电调( 6 0 年代末) 4 、8 0 年代及以后：数字电液系统d e h ( d i g i t a le l e c t r o n i ch y d r a u l i cc o n t r 0 1 ) 或 m e h ( m i c r o p r o c e s s o r b a s e de l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r 0 1 ) 1 1 2 、数字式电液调节系统的作用 汽轮机调速系统是汽轮发电机组重要部件之。随着机组容量的增大，对运行的可 靠性、经济性相应提出更高的要求，对该部件自动化水平的要求也不断提高。其主要作 用是：实现机组功率( 负荷) 与转速( 频率) 的自动调节；在紧急事故工况下，又是防止机 组恶性事故发生的最后一道屏障。= “。 随着计算机技术，控制技术等的发展，现代大功率火电机组已经广泛采用了数字式 电液调节系统( d i g it a l e l e c 7 0 一- h y d r a u li ec o n t r o ls y s t e m ，简称d e h 系统) “。d e h 系统是自动控制理论和计算机技术的结合，它以数字计算机作为控制器，以电液转换机 构、高压抗燃油系统和油动机作为执行器，既发挥了计算机的优点，又沿用了液压执行 机构体积小、工作能力大、动作迅速而平稳的长处，是目前大型汽轮机较为理想的调节 系统。考虑到电子元件具有测量调整方便，便于综合运算，精确度高等优点，随着其可 靠性的不断提高，电子元件常被用于测量和运算。特别是调节系统采用功率频率调 节后，调节信号不再仅是一个频率偏差，而是要综合比较更多的信号了，因此，电子元 器件得到广泛应用5 ”。由于油动机具有尺寸小、力量大、速度快、启动与反应迅速等优 点，所以电子元件目前还无法替代油动机。这样，调节系统采用功率频率调节后， 最后的执行机构仍是错油门和油动机。调节系统的电液两部分之间用电液转换器相连 接，将电气信号转换为液动信号，整个系统就成为功率频率电液调节系统，简称功频电 液调节系统”3 。功频电液调节系统能自动调节和控制汽轮发电机组的功率和频率，但是， 随着控制系统部件的增多，系统也同益的复杂化，也增加了发生故障的概率。在国内的 壅些堂堡垒些一 堡三童堡垒 许多文献中，都记录了由于电液装置而发生的一些事故。它的任何故障与性能的退化都 将直接危机到机组的安全运行。随着机组容量的增加，转子的惯性质量与机组功率的比 率逐渐下降，使得转子的飞升时间常数越来越小。这对于大型的汽轮发电机组的调节系 统的动态特性提出了更高的要求，传统的机械液压式调节系统已经无法满足要求。目前 国内已经发生了多起因为调节系统故障而导致超速毁机的恶性事故，各方面的损失是十 分严重的。由于调节系统故障造成的负荷突变、转速波动而使得机组无法并网供电、带 不满负荷等各种非正常情况的事例多有报道，在电厂强迫停机中有相当的份额是出于调 节系统故障引起的。因此汽轮机调节系统的可靠性尚处于较低级的水平“。 为了提高汽轮发电机组的自动化水平通过对调速系统各个坯节模型参数进行辨识 和仿真，可以监测系统的运行状态和特性变化，预测调速系统的性能，为电网的中长期 稳定分析、频率性能控制或调速系统调试整定提供参考依据。另外，电力系统稳定导则 中也要求在电力系统动态稳定分析中采用汽轮发电机的调速系统实际模型参数，分析调 速系统对电力系统暂态、动态和小扰动稳定的影响。所以调速系统模型的建立和参数的 f 确辨识对于电网的稳定分析具有重要意义。 1 2 系统仿真和参数辨识简介 1 2 1 仿真技术简介。1 仿真的直接含义就是模拟真实的事物，也就是用一个模型来模仿实际的系统。仿真 不可能完全等同于实物，但是，最基本的内容则应该相同，即模型必须反映系统的主要 特征或本质特征。对仿真的定义，现在比较典型的有两种说法，一种是：仿真是对真实 系统特性在运行时间内进行模仿；该定义强调对真实系统变化规律或信息传递规律在特 定条件下的相似再现，强调了仿真对实际系统的演示性、复现形。另一种是：仿真是建 立系统的模型并用模型对系统进行试验研究。该定义指出仿真包含建模和用模型作试验 两个环节。因而强调了仿真对所研究系统的探索性和预测性。 在电站热力系统仿真领域，遵循第一种定义，可进行培训用实时仿真器的开发； 遵循第二种定义，可进行工程设计和过程分析用仿真器或原理型仿真器的开发。本文按 照第二种定义。 1 2 2 、辨识技术概述 辨识l d e n t i f i c a t i o n 是近几十年迅速发展起来的一门独立学科，从1 9 6 7 年起国阿；控 制联合会( 1 f a c ) 每年召开一一次国际性的辨识模型与参数的讨论会。辨识、状态估计和拧 垒些奎耋些；丝坠 一 垫= 童堑延 制理论是现代控制论三个互相渗透的领域，辨识和状态估计离不丌控制理论的支持，控 制理论的应用又依赖于辨识和状态估计技术j “。 系统辩i 是通过观测一个系统，建立一个过程的输入和输出的关系来确定描述该系 统过程动态特征的数学模型。对于大多数工程系统，各物理过程虽然比较复杂，还是可 由物理定律来确定系统的基本结构。在对系统分析的基础上，通过简化一些次要的影响 因素，来得到描述物理过程的数学方程式，而此模型中某些具有明确物理意义的参数， 如转予时间常数、油动机时间常数等，可以通过对真实系统的辩识来得到。 系统参数辩识通过数学方法来确定模型中的未知参数，使模型等价于真实系统。 在相同输入x 下，由过程输出y 与模型输出y o 之差的误差函数用来作为等价性判 断。即误差函数在辩识过程中达到最小值，则获得数学模型的参数。在参数估计时，先 假定一组初始参数，然后沿着误差函数减小的方向，逐步修正参数估计值，直到误差函 数达到最小值【1 2 】。 仿真试验所使用的辩识技术，一方面使调节系统建模更符合实际，另一方面可修f 理论模型。特性参数辩识是研究调速系统特性的有力工具。通过对状态参数的辩识，可 以实现故障的早期预测和进行故障诊蝌”1 。 1 3 仿真及控制系统简单介绍 美国f o x b o r o 公司 as e r i r s 控制系统概述“ i as e r ie s 智能自动化系列的特点： i as e r i e s 自动化系列的最大特点是系统的软件、硬件和通讯系统都广泛采用开 放型标准设计。硬件品种少，可靠性高，组态灵活。 硬件一 as e r i e s 四代兼容，从c e s c 到r i s c ，从i n t e l 到m i c r os p a r c ，实 现了长寿命的设计思想。 软件一与u n i x 系统v 兼容的实时多任务v e n i x 操作系统和s u n s o f t s o l a r i s 操 作系统，九六年推出基于w i n d o w sn t 的操作系统； 采用c ，f o r t r a n 等广泛使用的高 级编程语言，s q l 关系型数据库语言和i n f o r m i x 、l o t u s l 2 3 等商用软件软件独立于硬件。 通讯一建立于o s t 模型上，符合i e e e 的标准，遵循m a p 协议，这样可以使与 姒p 兼容的非福克斯波罗产品纳入i as e r i e s 系统。 显示一采用先进的实时目标管理技术。 发展一硬件与软件的发展可相互独立发展。 垂韭璧墅垄釜垒一一一：一 篁三童堑垒 体化一通过以太网( e t h e r n e t ) 接口与信息网络连接，以及提供智能现场仪表 ( i f d ) 接口与i f d 的数字集成，从而实现了生产管理信息网，生产控制网到测量的一 体化。 i 0 一一线控制器已经具有包括整定( e x a c t ) 和多变量自整定( e x a c t k w ) 在内的复杂计算能力；i o 组件全部为变压器偶合隔离和光电隔离，一对一转换，过流 保护，不用保险丝，提高系统运行时间。 联网一真f 实现了与上位机系统的联网( 例如：d e c n e t ，t c p t p ，n o v e l l ) ， 实现画面和数据传递。 可靠性一采用表面安装技术( s m t ) ，尺寸小，系统结构简单；电子组件采用全封 闭，使其于周围环境的接触降低到最低水平，增强了已经抗环境腐蚀的能力；控制容错 技术，通讯冗余技术和矩阵供电方式，保证了系统运行的可靠性。 本文对电液调节系统参数辨识及控制系统的仿真和应用研究借助了f o x b o r o 公司 as e r i r s 控制系统软件，建立了系统环节的仿真模型，并进行控制方案的实际应用。 f o x b o r o 公司i as e r i r s 控制系统是美国福克斯公司从1 9 8 7 年开始推出的一种简 便的信号处理、数值统计分析、图像显示等多功能于一体的控制系统，把计算、可视化、 程序设计融合到一个交互的工作环境中。f o x b o r o 公司i as e r i r s 控制系统系统主要 有以下五个部分组成。 1 、 f o x b o r o 公司i a8 e r i r s 控制系统的丌发环境。开发环境是一组实用工具， 利用这些工具用户可以使用f o x b o r o 公司i as e r i r s 控制系统函数和文件，其中的很 多工具都是图形用户接口，它包括f o x b o r o 公司l as e r i r s 控制系统桌面和命令窗口， 命令的历史纪录以及用来查看帮助的浏览器、工作空间、文件和搜索路径。 2 、f o x b o r o 公司i as e r i r s 控制系统数学函数库。这是一个强大的计算算法库， 包括从基本函数，如s u m ，s i n e ，c o s i n e 和复杂算法到更复杂的函数运算。 3 、f o x b o r o 公司i as e r i r s 控制系统语言。这是一个高级的矩阵数组编程语言， 该语言带有流程控制语句、函数、数据结构、输入输出和面向对象编程的特点。它既 可以编写快速执行的短小程序，也可以编写庞大复杂的应用程序。 4 、f o x b o r o 公司i as e r i r s 控制系统图形处理系统。它既包括生成二维和三维数 据可视化、图像处理、动画及演示图形的高级命令，也可以包括完全由用户自定制图形 显示及在f o x b o r o 公司i a s e r i r s 控制系统应用程序中创建完整的图形用户接口的低 级命令。 垄i k 壑i ! 丝! ：丝一 筮= 童蕉熊 5 、f o x b o r o 公司i as e r i r s 控制系统应用接口程序( a p i ) 。这是一个用户编写与 f o x b o r o 公司i as e r i r s 控制系统接口的c 和f o r t r a n 程序的函数库，它包括从 f o x b o r o 公司i as e r i r s 控制系统( 动态链接) 中调用指令和读写m 文件的程序。 1 4 本文研究的主要内容 本文主要利用f o x b o r o 公司i as e r i r s 控制系统作为研究工具，研究汽轮发电机 组电液调节系统的参数辫识仿真的方法，并利用其工具箱搭建电液调节系统的不同工况 下的仿真模型，运行该调节系统的仿真模型进行采集数据，同时利用该数据搽求电液调 节系统参数辨识仿真的实用方法，并将其应用于实际控制系统。 本文的工作分以下几个部分： 第一部分深入分析当前汽轮发电机组中广为应用的电液调节系统( d e h ) 的各个环 节的工作原理，并理论推导了其数学模型，确定了汽轮机在不同运行工况下的整体数学 模型。 第二部分对参数辨识的方法进行了探讨，理论上分析了递推最小二乘算法及相关 分析辨识算法。 第三部分在仿真环境中，依照调节系统的工作原理搭建的汽轮机电液调节系统数 学模型，在实际现场采集数据，在计算机上进行参数辨识和仿真，并加以验证。 第四部分在完成参数辩识后，应用在i a s 系统中进行闭环模拟仿真，同时在现 场进行了实际控制方案的应用。 塞些蔓塑亟垒睦窑盘盘一 鳖三童童堇 5 r o x b 。r 0 公司i a s e r i r s 控制系统应用接口程序( a p i ) 。这足一个用户编写与 f 蹦b ) r o 公司f 4 s e r i r s 控制系统接口的c 和f 。r t r a n 程序的函数库，它包括从 f o x b 。r 0 公亓li a s e r i r s 控制系统( 动态链接) 中调用指令和凄写m 文件的程序= 1 4 本文研究的主要内容 本文主要利用f o x b o r o 公司i a s e r i t s 控制系统作为研究工具，研究汽轮发电机 组电液调节系统的参数辫识仿真的方法，并利用其工具箱搭建电液调节系统的不同工况 下的仿真模型，运行该调节系统的仿真模型进行采集数据，同时利用该数据探求电液调 节系统参数辨识仿真的实用方法，并将其应用于实际控制系统。 本文的工作分以下几个部分： 第一部分深入分析当前汽轮发电机组中广为应用的电液调节系统( d e h j 的各个环 节的工作原理，并理论推导了其数学模型，确定了汽轮机在不同运行工况下的整体数学 模型： 第二部分对参数辨识的方法进行了探讨，理论上分析了递推最小二乘算法及相关 分析辨识算法。 第= 部分在仿真环境中，依照调节系统的工作原理搭建的汽轮机电液调节系统数 学模型，在实际现场采集数据，在计算机上进行参数辨识和仿真，并加以验证。 第匹| 部分在完成参数辩识后，应用在i a s 系统中进行闭环模拟仿真，同时在现 场进行了实际控制方案的应用。 场进行了实际控制方案的应用。 第二章汽轮机电液调节系统的模型建立 2 1 汽轮机调节系统简单回顾哺1 2 1 1 机械液压式调节系统( m h c ) 早期的气轮机调节系统是由离心飞锤、杠杆、凸轮等机械部件和错油门、油动机等 液压部件构成的，称为机械液压式调节系统( m h c ) ，简称液调。这种系统的控制器是由 机械元件组成的，执行器是由液压元件组成的。通常只具有窄范围的闭环转速调节功能 和超速跳闸功能，并且系统的响应速度较低，由于机械间隙引起的迟缓率较大，静态特 性是固定的，不能根据要求任意改变，但是由于它的可靠性高，并且能满足机组运行的 基本要求，所以至今仍在使用。 2 1 2 电气液压式调节系统( e h c ) 随着机组单机容量的增加，再热机组的出现，单元制运行方式和滑压运行方式的采 用，机组的启、停次数随两班制运行方式的出现而增加，以及电网集中调度等问题的提 出，对气轮机调节系统提出了更高的要求，仅依靠机械液压式调节系统已不能完成控制 任务。这时产生了电气液压式调节系统( e h c ) 简称电液调节。这种系统有两个控制器， 控制器l 由电气元件组成，控制器2 由机械元件组成，执行部件仍保留原来液压部分。 这种系统很容易实现信号的综合处理，控制精确度高，能适应复杂的运行工况，而且操 作、调整和修改都比较方便。由于早期电气元件的可靠性还比较低，组成电路的可靠性 还不能满足气轮机调节系统的要求，因此保留了控制器2 作为后备，当电调的电路因故 障退出工作时，还有机械液压式调节系统接替工作，以保证机组的安全连续运行。 21 3 模拟式电气液压调节系统( a e h ) 随着电气元件可靠性的提高2 0 世纪5 0 年代中期，出现了不依靠机械液压式调节系 统作为后备的纯电调系统。开始采用的纯电调系统是由模拟电路组成的，称为模拟式电 气液压调节系统( a e h ) ，也称模拟电调。这种系统的控制器是由模拟电路组成的，执行 部件仍保留原有的液压部分，两者之间通过电液转换器相连接。 2 14 数字式电气液压调节系统( d e h ) 数字计算机技术的发展及其在过程自动化领域中的应用，将气轮机控制技术y - l h 前 推进了大步，2 0 世纪8 0 年代出现了以数字计算机为基础的数字式电气液压调节系统 ( d e h ) ，简称，其组成特点是控制器用数字计算机实现，执行部件保留原有的不变。早 垂生丛童塾丝垃名一一 筮三室选丝鱼u l 遮型堇垂丝 期的数字电澜大多一小型的计算机为核心的，微机出现后，数字电调也采用了微机。近 年来，在分散控制系统发展的影响下，均采用了由分散控制系统组成的电调。 2 2d e h 调节系统的工作原理 2 2 ，1 功频电液调节系统工作原理及功能 围2 i 电液调节系统原理翻 f i 9 21e l e c t r i c h y d r a u l i cr e g u l a t i o ns y s t e mp r i n c i p l ef i g u r e e i f ：屯液转换器h p ：汽室 r h 、i pl p ：再热环节 生产的发展对电力生产的品质提出越来越高的要求，而中间再热式汽轮机的大量应 用，也要求采用更为复杂的调节系统。传统的机械液压系统已经越来越不能适应这种新 的形式。众所周知，电子元件具有对信号测量、运算和校正方便的优点，而液压元件作 为执行元件又具有功率大、速度快等优点，因此结合二者的长处就能够发挥现代技术的 特点，设计出高性能的调节系统，因此电液调节系统得到广泛的应用，其原理如图2 1 所示。 在电液调节系统中，为了适应中间再热式汽轮机的特点，提高其负荷适应能力，通 常采用功率一频率电液调节系统，简称功频电液调节系统。图2 1 所示的功频电液调 节系统中，测速、测功、p i d 调节器和功率放大器等都是电子元件，其余是液压元件。 当汽轮机因负荷减小而转速上升时，测速元件的输出电压升高，这个电信号经过p i 调节器和功率放大器的变换和放大后，推动电液转换器，将它转换成液压信号。液压信 号再经过放大后推动执行元件一油动机关小调节阀，减少汽轮机的功率。汽轮机的功率 减少后，测功元件的输出电压降低，抵消了转速升高时电压的升高，因此是系统的负反 壅些厶芏丑土堡垒一 笙；塞岜丝垫塑逵塑堇歪蕴 馈信号。当系统达到新的乎衡工况时，测功元件输出电压的变化完全抵消了测速元件输 出电压的变化，p i 调节器输入电压之和仍等于零，油动机以及其他元件均稳定在新的工 作位置上，汽轮机在新的功率和转速下保持稳定的运行。当汽轮机因负荷增加而转速下 降时，调节系统的工作原理相同，但变化方向相反。 22 2 、功频电液调节系统的功能 22 21 、汽轮机自动程序控制( a t c ) 功能 d e h 调节系统的汽轮机自动程序控制，是通过状态监测，计算转子的应力，并在机 组应力允许的范围内，优化启动程序，用最大的速率与最短的时间实现机组启动过程的 全部自动化。a t c 允许机组有冷态启动和热态启动两种方式。冷态启动过程包括从盘车、 升速、并网到带负荷，其间各种启动的操作、阀们的切换等全过程均由计算机自动进行 控制。在非启停过程中，还可以实现a t c 监督。 2 2 2 。2 、汽轮机的负荷自动调节功能 汽轮机的负荷自动调节有两种情况。冷态启动时，机组并网带初负荷( 5 额定负荷) 后，负荷由高压调节汽阀进行控制：热态启动时，在机组负荷未达到3 5 额定负荷以前， 由高、中压调节汽阀控制，以后，中压调节汽阀全开，负荷只由高压调节汽阀进行控制。 处于负荷控制阶段，d e h 调节系统具有下述功能： ( 1 ) 具有操作员自动、远方控制和电厂计算机控制方式，以及它们分别与a t c 组成的 联合控制方式。 ( 2 ) 具有自动控制( a 和b 机双机容错) 、一级手动和二级手动冗余控制方式。 ( 3 ) 可采用串级或单级p i 控制方式。当负荷大于1 0 以后，可由运行人员选择是否采 用调节级汽室压力和发电机功率反馈回路，从而也就决定了采用何种p i 控制方式。 ( 4 ) 可采用定压运行或滑压运行方式。当采用定压运行时，系统有阀门管理功能，以 保证汽轮机能获得最大的效率。 ( 5 ) 根据电网的要求，可选择调频运行方式或基本负荷运行方式；设置负荷的上下限 及其速率等。 此外，还有主汽压力控制( t p c ) 和外部负荷返回( r u n b a c k ) 等保护主要设备和辅 助设备的控制方式，运行控制十分灵活。 2 2 2 3 、汽轮机的自动保护功能 为了避免机组因超速或其他原因遭受破坏，d e h 的保护系统有如下三种保护功能： 9 壅丝占竺堑型羔皂一： 篷兰重泡数熟! 垦鎏型堇垂缍 ( 1 ) 超速保护( o p c ) 。该保护只涉及调节汽阀，即转速达到1 0 3 n o 时快关中压调节 汽阀：在1 0 3 n o ( n ( 1 1 0 n o 时，超速控制系统通过o p c 电磁阀快关高、中压 调节汽阀，实现对机组的超速保护。 ( 2 ) 危急遮断控制( e t s ) 。该保护是在e t s 系统检测到机组超速达到1 1 0 n 0 或其他 安全指标达到安全界限后，通过a s t 电磁阀关闭所有的主汽阀和调节汽阀，实行紧急停 机。 ( ：3 ) 机械超速保护和手动脱扣。前者属于超速的多重保护，即当转速高于l l0 n o 时 实行紧急停机；后者为保护系统不起作用时进行手动停机，以保障人身和设备的安全。 22 24 、机组和d e h 系统的监控功能 该监控系统在启停和运行过程中，对机组和d e h 装嚣两部分运行状况进行监督，内 容包括操作状态按钮指示、状态指示和c r t 画面，其中对d e h 监控的内容包括重要通道、 电源和内部程序的运行情况等；c r t 画面包括机组和系统的重要参数、运行曲线、潮流 趋势和故障显示等。 其中，d e h 系统调节系统的负荷调节功能是自动调节和控制汽轮发电机组的功率和 频率。各种主要工况下的系统功能如下： ( 1 ) 启动工况，实现从启动工况过渡到正常运行工况的无扰动平滑转移； ( 2 ) 并网及带负荷工况，机组转速达到额定转速即可并网。并网后若机组实际转速与 给定值存在偏差，则此偏差会经放大器、p i d 调节器控制汽门开度，调节机组转速。机 组并网后，可通过功率给定逐步将机组功率升至额定值； ( 3 ) 调频工况，当机组转速与电网频率不一致时，通过偏差信号进行调整； ( 4 ) 调压工况，当锅炉鼓掌或负荷增加过快，使得主蒸汽压力有较大幅度的下降时一， 汽压控制回路使机组调节汽门关小，减少机组进汽量以维持汽压偏差在一定范围内。 ( 5 ) 甩负荷工况，继电器立即将功率给定信号切除，只保留转速给定信号，最后的稳 定转速为额定值，这将使甩负荷过程中转速的最大动态偏差值变小，有利于机组安全和 重新并网发电； ( 6 ) 停机工况，机组在额定参数下停机时，可直接改变功率给定值，逐渐减负荷到零， 切除功率给定，机组解列后手拍危急遮断装置停机。滑参数停机时，应先将汽压控制回 路切除，调节汽门将随主蒸汽压力的降低而达到全开位置，随着蒸汽流量的减小，机组 功率也随之减小，直至空载。机组解列后手拍危急遮断装置停机。 垂，曼丛宝蛆上j 丝 亟= 童盗丝生l ! 乜渔型堇垂缍 2 3 电液调节系统的数学模型 2 3 1 、数学模型建立过程的前提 为了对现场的功频电液调节系统在运行中可能出现的一些性能上的退化作出及时 的监测。首先要在研究汽轮机d e h 系统的参数辨识方法的基础上建立该系统的数学模型。 在推导整个电液调节系统数学模型的过程中，我们作出了如下的假定： 1 、小偏差线性化 在整个调一节过程中，各个部件都是在平衡位置的附近作微幅变化，在这种情况下， 可以将非线形方程在工作点处进行泰勒展开后进行线性化处理。 2 、运动部分质量不计 在现代汽轮机调节系统中，由于动力油压力的提高，使得运动部件的尺寸减小、质 量减轻因而运动部分质量相对较小，可以不考虑。 3 、粘性摩擦力不计 当部件的运动速度不是很高的时候，粘性摩擦力相对于静摩擦力来说要小得多。由 于汽轮机调节系统各个环节的运动速度都不是很高，因此，不考虑粘性摩擦力的影响， 而将干摩擦阻力按照典型的非线性进行处理”“。 2 3 ，2 、调节系统典型环节的数学模型 232 1 、蒸汽容积的数学模型 在讨论蒸汽容积的运动方程时，我们首先讨论一下一般的情况，然后结合喷嘴室容 积的具体情况加以修正。图2 1 是蒸汽容积的示意图。蒸汽经阀门1 流入体积为v 的容 器，然后经过阀门2 流出。设容器中气体的压力为p ，阀门l 前气体压力为p l ，阀门2 后气体压力为p 2 。则流经阀门l 和阀f 12 的蒸汽流量应分别为阀门的开度和阀门前后压 力的函数。当p 。和p 2 均为固定不变的常数时，则为容器中气体压力和阀门开度的函数， 即：f 等式右边是经过泰勒展开后略去高阶项的结果。) 1 8 1 。l f l 琏。 蒸汽窖积示惹图 幽2 2 蒸汽容积示意图 f i 9 2 2s t e a md i m e n s i o nf i g u r e g 塥( z ，耻+ ( 孙( 郴删箬) 。 ( 2 3 | 1 ) g 2 _ g 2 ( z 2 ，耻g 2 0 + ( z a - z o ) ( 篆2 ) o + ( p - p 0 ) ( 警) 0 ( 2 3 2 ) o 己o r 根据气体流动的连续方程式，流入容器与流出容器的蒸汽量之差应该等于该容器内 气体密度p ( k g m 3 ) 的变化与其体积v 之乘积，即：( 6 1 g 2 ) d t = v d p 将方程式用泰勒级 数展开，并设g 1 0 = g 2 0 ，略去高阶项，则得： c 鼍h 必州筹) 0 胛一c 篆n 世：一c 斋n 廿= 矿警 ss ， ( 式中_ d a p ：_ d p ) ( p = p p o ) d td t 假设气体的状态变化是按多变过程进行的一。口p i 2 常数，则d ( 篙) = h ( ，( 等) ，设p = a p ”， a 为常数。令等2 等乏竽2 n 等，印。等等代入得： 等攀：。瓦o g i h 心h 篆n 心州。万o g 2 卜。石0 ( 7 1 刈廿 c 2 玉4 ， 等学：。瓦o g i n 艋。是一c 瓦o g ：h 监：盖一c 万o g ：一。i a p 等式两边均除以g 1 一= ( 等) o z 一，得： r 。皇譬二= 。一a ，：一口2 p + ( 2 - 3 5 ) 式中：产竺p o = j _ 2 _ 1 。= 急；7 1 。= 磊v ；o ； 一擎a z 2 ；c 3 g z 。警g i - - ； 式2 3 5 是一一般形式的气体容积方程。 对于调节阀与喷嘴组之间的容积来讲( 如图2 3 所示) ，因为喷嘴组的出口面积是不 变的，所以z 2 = 0 ，即，= 0 ，所以方程式( 2 3 5 ) 就成为： 0 掣+ 口矿：i ( 2 36 ) 珊 在稳定状态下( 此时掣：o ) ，当阀1 的位移从o _ z l 。时( 此时，h i ：1 ) ，容积中的压 d t 力将从o p o ( 此时p + = 1 ) ，代入后得， a 2 1 = 1 调节阀与喷嘴组 之间的蒸汽窨积 g 2 图2 3 调节蒯与喷嘴组之间的燕汽器积 f i 9 2 3s t e a md i m e n s i o no f r e g u l a t ev a l v eb e t w e e nn o z z l e 所以0 1 2 = 1 。由此求得汽轮机喷嘴室的汽体容积方程为： t 0 垡+ 矿：埘 ( 2 3 7 ) 出 设为等温过程，此时n = l 令d o = v p o ，而且考虑到汽轮机的额定流量g 1 0 = g i m a x ，则 7 _ 。- 旦因此时间常