（机械制造及其自动化专业论文）汽轮机deh系统参数优化及故障查询研究.pdf

t h er e s e a r c ho ns t e a mt u r b i n ep a r a m e t e r so p t i m i z a t i o na n df a u l t d i a g n o s i so f d e h a 0l i nh a i b e ( n a v a la e r o n a u t i c a le n g i n e e r i n gi n s t i t u e ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m m a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n ga n d a u t o m a t i o n i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry a hs h u - t i a n m a y , 2 0 11 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：省株渤 日期：如，7 年岁月多口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 省杯内 日期：z 州年岁月3 d 日 日期：呶，r 年r 月如日 目录 摘要工 a b s t r a c t ii 插图索引。iii 附表索引一i v 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景及研究意义1 1 2 汽轮机系统仿真及故障诊断的国内外研究现状2 1 2 1d e h 系统仿真研究现状2 1 2 2 仿真集成环境3 1 2 - 3d e h 系统的故障诊断4 1 3 课题研究的主要内容4 第2 章d e h 系统及被控对象的数学模型6 2 1d e h 系统组成一6 2 2d e h 系统功能7 2 3 被控对象的数学模型8 2 3 1 电液伺服阀9 2 3 2 油动机。l o 2 3 3 汽轮发电机组1 2 2 3 4 其他环节的数学模型。1 3 本章小结1 3 第3 章汽轮机d e h 系统的仿真研究1 4 3 1s i m u l i n k 仿真环境1 4 3 1 1s i m u l i n k 功能1 4 3 1 2s i m u l i n k 仿真设置与数值分析1 5 3 1 3s i m u l i n k 子系统于模块封装1 5 3 2 转速控制系统15 3 2 1 转速控制原理1 5 3 2 2 升速控制方案16 3 2 3 控制器参数整定l7 3 3 汽轮机组的负荷控制1 7 3 3 1 负荷调节的基本原理：1 7 3 3 2 负荷控制仿真及控制器参数的整定18 3 4 汽轮机负荷控制的扰动仿真2 0 3 4 1 负荷扰动仿真2 0 3 4 2 气压扰动仿真2 1 3 4 3 功率给定值扰动仿真2 1 3 5 系统的鲁棒性试验2 2 本章小结2 4 第4 章汽轮机模糊p i d 控制器的研究2 5 4 1 模糊控制的发展2 5 4 2 模糊控制系统的组成2 5 4 3 模糊控制的特点2 6 4 4 模糊控制算法基本原理2 6 4 6 4 控制规则库的模糊推理3 2 4 6 5 模糊控制决策3 3 4 7 仿真研究3 3 4 7 1 仿真框图及设置3 3 4 7 2 仿控制器参数的整定3 4 4 8 汽轮机负荷控制的仿真研究3 5 4 9 对比分析3 6 本章小结3 6 第5 章d e h 系统的故障诊断查询3 8 5 1d e h 系统网络计算模式的选择3 8 5 1 1d e h 系统网络计算模式的选择3 8 5 1 2b s 计算模式3 9 5 1 3 模式选择总结3 9 5 2 开发技术和工具的选择4 0 5 2 1 主要软件概述4 0 5 2 2 开发工具的选用4 1 5 2 3 工具选择总结4 2 5 3d e h 故障查询系统的开发4 2 5 3 1d e h 系统开发概述4 2 5 - 3 2 系统的主要功能4 3 5 3 3 系统演示4 4 5 4 总结4 6 参考文献4 9 致谢。5 2 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 3 附录b 部分故障诊断查询系统代码。5 4 h 摘要 汽轮机作为火力发电厂中最主要的设备之一，其控制系统贯穿于电力生产的始终， 其性能的优劣直接影响汽轮机组和电网的安全、经济、稳定运行。 本文以3 0 0 m w 凝汽式汽轮发电机组为研究对象，根据数字电液控制系统的运行机 理建立了各环节( 包括电液转换器、油动机、进汽容积、蒸汽功率、转子) 的数学模型， 并在m a t l a b s i m u l i n k 环境中对它们的动态特性进行了仿真研究。在此基础上，对目 前广泛采用的基于串级p i d 控制方案的d e h 系统进行了仿真研究，给出了控制器参数的 整定方法，对控制器参数进行了整定优化，得到了控制系统在各种扰动信号作用下汽轮 机转速和功率的输出曲线，并对控制系统的鲁棒性进行了仿真研究。由于汽轮机是具有 非线性、参数时变和不确定因素的典型复杂热工系统，目前先进控制方案实际运用于汽 轮机组的实例仍非常少见，因此，本文采用模糊控制策略对现有控制方法又进行改进， 设计了一个模糊自整定p i d 控制器取代原有的功率控制器。针对3 0 0 m w 凝汽式汽轮发电 机组并网后的负荷控制，在m a t l a b 中对新的控制方案进行仿真研究，给出了新方案下 控制器参数的整定方法，对比分析了两种控制方案下控制系统的控制性能，比较它们在 不同的扰动方式下汽轮机的功率和转速输出曲线，指出新方案在控制系统受到定值扰 动、汽压扰动、调节级压力扰动时调节效果更好。本文的研究对于进一步提高汽轮机的 控制品质，为提出和研究性能优化的汽轮机组控制系统设计方法提供了参考依据。 为了提高电厂工作人员对d e h 系统的运行机理的了解和系统故障的查询，本文还对 汽轮机数字电液控制系统故障模式及影响分析，建立了d e h 系统故障诊断知识库，采用 b r o w s e r s e r v e r 架构，开发了w e b 方式的汽轮机电液控制系统故障诊断查询系统，实现了 d e h 系统故障分析知识的远程查询。 关键词：汽轮机；数字电液控制系统；仿真研究；模糊控制；故障诊断 a b s t r a c t s t e a mt u r b i n ei so n eo ft h ei m p o r t a n te q u i p m e n ti nt h et h e r m a lp o w e rp l a n t ，a n dt h e c o n t r o lo f t h es t e a mt u r b o g e n e r a t o ru n i tr u n n st h r o u g ht h ew h o l ep r o c e s so f p o w e rg e n e r a t i o n i t se f f e c td i r e c t l yr e l a t e st ot h ee l e c t r i c a ln e t w o r k sq u a l i t ya n dt h eu n i t ss a f e t y ，s t a b i l i t y ，a n d e c o n o m y t h e3 0 0 m wc o n d e n s i n gs t e a mt u r b o g e n e r a t o ru n i ti sr e g a r d e da sar e s e a r e h f u lo b j e c ti n t h i st h e s i s t h em a t h e m a t i cm o d e l so ft h em a i nc o m p o n e n ta s s e m b l i e sa r eb u i l tb yu s i n gi h e a p p r o a c ho fm e c h a n i s ma n a l y s i s t h ed e hs y s t e mb a s e do nc a s c a d ep i dc o n t r o ls t r a t e g y w h i c hi s w i d e l yu s e dn o w a d a y si s r e s e a r c h e db ys i m u l a t i o na p p r o a c h t h ea p p r o a c ho f p a r a m e t e rr e g u l a t i n gi sc o n c l u d e d t h eo u tp u tc u r v e so fr o t a t i n gs p e e da n dp o w e ro ft h e c o n t r o ls y s t e m 诵t hk i n d so fp e r f u r b a t i o n sa r eg i v e n ，a n dt h es y s t e m sr o b u s t n e s si sa l s o r e s e a r c h e db ys i m u l a t i o na p p r o a c h t h ep r i m a r yf r e q u e n c ym o d u l a t i o no fd e hs y s t e mi s r e s e a r c h e db ys i m u l a t i o na p p r o a c h ，t o o t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h em o d u l a t i o n e f f e c ti sb e t t e ri ff l e q u e n c yd i f f e r e n c es i g n a li sc o n n e c t e dt ot h eg o v e r n i n gv a l v et h a nt ot h e p o w e rc o n t r o l l e r t h er o t a t i n gs p e e di n e q u a l i t y r a t e se f f e c to nt h e p r i m a r yf l e q u e n c y m o d u l a t i o n sc h a r a c t e r i s t i ci sd i s c u s s e d t h ec u r r e n tc o n t r o ls t r a t e g yi s i m p r o v e db y c o m b i n i n gf u z z yc o n t r o lt op i dc o n t r o li nt h i st h e s i s t h ea p p r o a c ho fp a r a m e t e rr e g u l a t i n go f t h ec o n t r o ls y s t e mt h a tu s e sn e wc o n t r o ls t r a t e g yi sg i v e n ，a n dt h ec o n t r o lc a p a b i l i t yo ft h et w o c o n t r o ls t r a t e g i e si sc o m p a r e da n da n a l y s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mt h a tu s e s t h en e ws t r a t e g yh a sb e t t e rc o n t r o le f f e c tt h a nc u r r e n ts y s t e m 、 ，i t l lf i x e dv a l u e s p e r t u r b a t i o n , s t e a mp r e s s u r e sp e r t u r b a t i o na n dg o v e r n i n gs t a g e sp e r t u r b a t i o n b u t t h e i r r o b u s t n e s si sa l m o s tt h es a m e g o v e r n i n gs y s t e m t h er e s e a r c hi n t h i st h e s i sh a saf u r t h e r i m p r o v i n gc o n t r o lq u a l i t yo ft h es t e a mt u r b i n e ，p r o v i d i n dr e f e r e n c e f o rp u tf o r w a r da n d r e s e a r c h i n gt h ed e s i g nm e t h o d s 、i t ho p t i m i z i n gp e r f o r m a n c eo f t h eu n i tc o n t r o ls y s t e m t h ed y n a m i cf a u l td i a g n o s i sd a t a b a s ew a se s t a b l i s h e db a s e do nt h er e s e a r c hf o rf a u l t m o d ea n da f u l ti n f l u e n c eo fd e h ，i n a d d i t i o n ，b a s e do nb r o w s e r s e r v e rf r a m e w o r k ，t h ed e h d y n a m i cf a u l td i a g n o s i sq u e r ys y s t e mw a sd e v e l o p e d ，w h i c hc o u l db eu s e df r o ml o n gd i s t a n c e t h r o u g hi n t e r n e t k e y w o r d s ：s t e a mt u r b i n e ；d e h ；s i m u l a t i o nr e s e a r c h ；f u z z yc o n t r o l ；f a u l td i a g n o s i s i i 图3 1 汽轮机转速控制原理图1 5 图3 2 汽轮机d e h 负荷控制方案示意图1 8 图3 3 汽轮机并网后负荷控制仿真方框图1 9 图3 4 负荷扰动的功率、转速输出曲线2 1 图3 5 气压扰动功率、转速输出曲线2 1 图3 6 功率给定扰动功率、转速输出曲线2 2 图3 7 电液伺服阀时间常数增大2 倍时的负荷扰动仿真2 2 图3 8 电液伺服阀时间常数减小0 5 倍时的负荷扰动仿真2 3 图3 9 油动机时间常数增大2 倍时的负荷扰动仿真2 3 图3 1 0 蒸汽容积时间常数减小o 5 倍时的负荷扰动仿真2 3 图3 1 1 转子时间常数增大2 倍时的负荷扰动仿真2 3 图3 1 2 转子时间常数增大0 5 倍时的负荷扰动仿真2 4 图4 1 模糊控制系统示意图2 5 图4 2 模糊控制器的基本原理框图2 7 图4 3 设计模糊控制器的流程图2 7 图4 4 改进之后的方案图2 8 图4 5 模糊推理系统结构图2 9 图4 6e 隶属度函数2 9 图4 7e c 隶属度函数3 0 图4 8k p 隶属度函数3 0 图4 9k i 隶属度函数3 l 图4 1 0k d 隶属度函数3 1 图4 1 1 模糊规则观测窗3 3 图4 1 2 模糊控制器3 4 图4 1 3 改进后的汽轮机负荷控制系统3 4 图4 1 4 负荷扰动曲线3 5 图4 1 5 气压扰动输出曲线3 5 图4 1 6 功率给定值扰动输出曲线3 6 图5 1a s p 运行原理示意图4 l 图5 2 汽轮机d e h 故障查询系统4 4 图5 3 主汽门调节原理演示4 5 图5 4 电液伺服阀演示4 5 图5 5d e h 系统元部件库4 6 图5 6 油动机故障诊断库4 6 i i i i v 6 7 o 5 1 1 1 二，j ， 硕士学位论文 曼鲁曼曼鼍量量皇曼鼍i i_iii _ 舅皇曼量皇曼曼曼曼曼量曼曼鼍曼量皇曼量曼曼皇曼量蔓曼皇曼量曼曼曼曼曼喜量曼曼量量曼量量鼍量 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及研究意义 汽轮机转速调节采用机械离心飞锤式调速器至今已有一百多年的历史，随着液压技 术、电子技术和计算机技术的发展，又推出了液压式调节系统、模拟式电液调节系统 a e h 和数字式电液调节系统d e h ，这些系统相继广泛应用于各类汽轮机中。随着动力 工业中汽轮发电机组单机功率的不断增大和参数的提高，运行于大电网中的汽轮发电机 组要求自动化控制的水平也愈来愈高。目前3 0 0 m w 6 0 0 m w 汽轮机组都已采用了数字 式电液控制系统d e h ，使汽轮机控制系统成为电站分散控制系统的d c s 的一个站。在大 型汽轮机普遍采用数字式电液调节系统d e h 的同时，2 0 0 m w 、1 2 5 m w 、1 0 0 m w 、5 0 m w 中间再热机组或抽汽机组也都使用了d e h 控制技术。这类机组装备了d e h 系统以后， 提高了机组的自动化水平和运行效率。 汽轮机控制系统是汽轮发电机组的功率、转速控制中枢，其控制品质和可靠性直接 影响电网的供电品质和机组的安全，因此，提高汽轮机控制系统的工作性能、增强汽轮 机控制系统的稳定性、可靠性，是发电厂倍受关注的重要问题。电力生产对汽轮机控制 系统提出两个基本要求：一是能够随时满足用户对电能的需要；二是使机组能维持一定 的转速，保证供电频率和机组本身的安全。以计算机为核心的数字式电液控制系统，丰 富了大型机组的控制和保护功能，提高了控制品质和自动化水平，保证了机组的安全可 靠性，彻底摆脱了长期以来机械液压控制保护系统可靠性差、调节精度低、稳定性不好 的落后局面，提高了功率、频率的调节品质，实现了机组协调、优化运行复杂控制算法， 增强了超速等保护的安全可靠性【l 捌。 发电厂的汽轮机控制系统虽然实现了现代化的改造，为企业带来了更好的收益，但 数字电液控制系统的维修费用较原机械液压调节高出很多，并且也会出现系统摆动、动 作失灵等故障，基于高压抗燃油的数字电液控制系统有其自身的特性和固有不足，其核 心部件一电液伺服阀、快速卸载阀和电磁阀的动、静配合间隙非常小，对液压油污染的 敏感性强，在液压油管理不恰当时，极易产生动作滞缓和卡涩；人工合成的三芳基磷酸 酯抗燃液压油，在水解和高温氧化下，产生酸性较强的单酯和多酯，对电液伺服阀及液 压管道等部件产生腐蚀，不仅造成部件泄漏，而且腐蚀产物形成颗粒污染，引起部件动 作滞缓和卡涩，系统工作的稳定性和可靠性下降；由于技术准备不足和缺乏相应的检测、 试验设备，汽轮机电液控制系统的运行、检测、维修在发电厂成为关键。因此，如何提 高数字电液控制系统的控制精度，保证汽轮机设备的安全运行，维持电网频率和诊断水 平，缩短电液控制系统的维修时间和较少其维修费用，是电力部门亟待解决的问题。 综观目前汽轮机数字电液控制系统工程应用中存在的这些问题，主要根源在于对电 液控制系统的特性掌握不精，缺乏有效的检测手段和科学的管理技术规范。在汽轮机启 动过程中，为了保证转子的寿命和机组的安全；必须严格控制汽轮机的转速和升速率。 当汽轮机转速升至额定转速附近准备并网时，必须对汽轮机的转速进行精确控制。汽轮 汽轮机d e h 系统参数优化及故障查询研究 机并网发电后，为了保证电厂供电与用户用电的平衡及满足电能质量，需对汽轮机的转 速和功率进行控制。当汽轮机在启动及发电过程中受到某些扰动，如主汽压力变化、电 网频率波动时，要求对汽轮机组进行实时的控制，以保证机组设备的安全和供电质量的 稳定。另外，针对国内汽轮机数字电液控制系统各部分组成与功能，建立一套完整的故 障影响分析和故障诊断知识库，当控制系统发生故障时，为维修人员提供技术参考；及 时研究、开发电液控制系统在线故障诊断与维修管理系统，在线监测电液控制系统的健 康状态和预测健康发展趋势。因此，建立d e h 系统的仿真模型，分析系统的运行特性， 验证系统优化方案的可行性，建立实用的故障诊断与维修管理系统，具有重大的现实意 义。这些是本文工作的基本出发点。 1 2 汽轮机系统仿真及故障诊断的国内外研究现状 数字计算机技术在过程自动化领域的发展及应用，促进了汽轮机技术的发展，在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液控制系统( d e h ) 。国# i d e h 系统 的发展运用比较成熟，美国西屋和g e 、日本日立和三菱、法国阿尔斯通、瑞士a b b 等国 外著名动力设备制造公司都研制开发了各自的数字式电液控制系统。不同的设计厂家有 不同的特点和系统结构，英国和德国的d e h 俱i 重于软件的功能作用，硬件比较简单，这 类产品对操作人员的专业素质要求高，故障风险大。美国各公司的的d e h 产品则侧重于 发挥硬件的功能作用，软、硬件的模块化程度高，易维护。我国汽轮机电调系统的技术 开发工作基本和欧美各国同步，2 0 世纪8 0 年代，我国引进汽轮机调节系统d e h 技术，并 成功进行了国产化优化设计。在引进美国西屋公司d e h 技术的同时，国内开始并逐步加 强了该系统的国产化研发之路以上海发电设备成套研究所为代表的一批工程技术人员 在上海市闵行电厂开始了该系统的设计研发工作，经过几年的不懈努力，终于解决了其 中最关键的汽轮机调节阀门的伺服控制和阀门管理等核心问题。在国内三大汽轮机厂的 配合下，在学习研究美国西屋公司的d e h 系统，进而吸收消化下，国产d e h 的样机终于 诞生了。第一台国产d e h 系统在湖北汉川电厂投运成功并稳定运行，这标志着国产d e h 系统的设计和生产宣告成功，具有里程碑的意义【1 3 j 。此后，电调控制系统才在国内大容 量机组上得到广泛的应用。 1 2 1d e h 系统仿真研究现状 由于火力发电机组向大容量、高参数、分散控制方向发展，技术日益复杂，对安全、 经济的要求很高。控制系统制造厂家已不可能像配备一台实验设备一样配备一套大容量 发电设备来调试控制系统；也不可能等控制系统到了电厂，再利用电厂的发电设备来整 定调节系统的参数。同样对运行人员也提出了高要求，沿用旧的培训方法也无法满足大 机组人员培训的要求，更不可能将正在发电的设备用来培训。当今国内外已普遍采用仿 真系统来整定控制系统的参数和培训运行人员，取得了很好的效果。 仿真技术的不断发展为其在电站设备中的应用展现了广阔的前景，常规火力发电机 组仿真已经有了很大的发展，对仿真对象的全范围、全过程的仿真已经实现。在国外， 2 硕士学位论文 | _ _ i i _ _ i i i 一 i i , i i - 量蔓 计算机仿真技术应用于电站设备的研究始于5 0 年代，而对于d e h 系统的仿真研究是近年 来随着d e h 系统的出现而逐渐发展起来的。其中文献h 7 】给出了电液伺服阀的非线性动态 模型，并详细介绍了喷嘴一挡板的非线性动态模型。文献 3 3 1 提出一种综合动力机组前馈一 反馈控制策略的新方法，前馈控制策略通过应用非线性规划，根据给定的性能指标和机 组的模型、机组运行规定的约束条件产生，已获得机组负荷大范围变化时各个控制输入 的最佳变化律，反馈控制策略利用综合方法获得，以保证控制系统能获得克服机组运 行干扰、未建模动态和参数不确定性带来的影响。我国把仿真系统作为设计自动控制系 统的工具，整定调节系统的参数以及和控制系统组成闭环控制系统进行试验，是从2 0 世 纪6 0 年代开始的，当时的仿真系统主要以模拟机为主，到了7 0 年代末，开始有了较快的 发展。近年来国内一些科研单位，对d e h 系统的仿真研究取得了一大批科研成果。其中 对d e h 的甩负荷特性进行了仿真研究，提出了主要控制参数的整定范围和改善系统甩负 荷特性的见解。文献【1 2 】提出运用二维离散模型进行预测、有限时段内的滚动优化以及反 馈校正的思想来实现按最佳温升速率启停的动态运行优化控制方案。通过对国产 2 0 0 m w 机组进行冷态启动、热态启动、滑参数停机、变负荷运行等多种方案的仿真研 究表明该方案能实现大型汽轮机组按最佳温升速率进行启停。文献【4 8 j 对2 0 0 m w 机组 d e h 系统甩负荷特性进行了仿真研究，阐述了主要参数对系统的影响，提出了改善机组 甩负荷特性的建议。文献 4 9 , 5 0 1 分别利用仿真支撑软件s t a r - 9 0 建立了全范围、全过程的 d e h 仿真系统，不仅可以对电厂工作人员和高校学生进行培训，也可以对d e h 系统进行 设计和优化研究。文献【l9 5 l 】分别利用m a t l a b 高级语言中的s i m u l i n k 软件包进行d e h 系 统仿真开发，对个工况下的系统进行了动态分析，以便提高系统的控制品质。文献1 5 4 1 针对目前汽轮机运行的核心一数字电液调节系统，在分析了d e h 系统的基本结构和功能 的基础上，对负荷调节系统中的负荷串级控制系统的调节参数进行了整定，优化了反馈 回路的投切和阀门控制方式切换的控制算法，为现场控制系统的优化运行提供了参考依 据，对提高供电品种，保证电厂的安全、经济运行提供了保证。文献1 5 2 , 5 3 j 分别将遗传算 法和参数辨识算法应用至u d e h 系统调节器参数的优化整定，通过仿真对比分析，结果表 明，应用新型算法整定的系统具有良好的动态相应特性。文献【5 5 j 结合传统p i d 控制和人 工神经网络技术的特点，提出了一种基于神经元动态补偿的神经网络自适应控制策略实 验结果表明，它能有效改善非线性电液伺服控制系统的自适应性和鲁棒性，系统响应速 度变快，动、静态控制性能优于传统p i d 控制，改善了功频电液调节系统的运行特性。 随着d e h 系统的快速发展，利用计算机仿真技术进行d e h 系统动态仿真成了研究 d e h 动态特性、控制规律及研制控制系统的有效手段。通过对d e h 仿真系统的研制和应 用，可以实现对机组的运行和操作参数进行分析优化，以提高机组运行安全性和经济性； 对运行操作人员进行正常操作和事故处理的培训，减少实际运行中由于人为原因造成的 损失；在机组投运前，在仿真系统上提供调试环境，从而节约实际系统的投运时间和成 本。 1 2 2 仿真集成环境 由于数字电液控制系统的部件形式多样，数学模型复杂，因此选用一个具有足够的 3 汽轮机d e h 系统参数优化及故障查询研究 通用性、开放性、和易用性的仿真平台。纵观目前国内外用于仿真的软件平台，国外的 如瑞典d y n a s i m 公司的d y m o l a 仿真平台，加拿大c a e 公司的r o s e 平台，国内的如 亚仿的a s c a 仿真支撑平台，华仿的s t a r - 9 0 仿真支撑平台，清华的t p c i d s 平台等【5 ，l 。 针对数字电液控制系统部件的形式多样性和数学模型的复杂性，本文选用m a t l a b 作为仿真软件，并利用m a t l a b 所提供的图形交互式工具箱s i m u l i n k 作为电液控制系统 仿真软件的开发工具。m a t l a b 语言除了传统的交互式编程之外，还提供了丰富可靠的 矩阵运算、图形绘制、数据处理、方便的w i n d o w s 编程等便利工具。s i m u l i n k 是实现动 态系统建模和仿真的一个集成环境，已成为一种可视化、模块化、一体化的动态系统仿 真软件工具，它的主要优点在于以图形界面方式向用户提供动态系统的建模手段，实现 了可视化建模、多工作环境间文件互用和数据交换，具有很强的通用性和友好的人机界 面。 1 2 3d e h 系统的故障诊断 随着科学技术的不断发展，涌现了大型计算机、航天系统、通信系统、大型电站系 统等大型的设备和系统。为了能够较为长久的保持这些大设备、大系统的优良性能，长 时间稳定运行，系统的可靠性问题就变得十分突出，需要有与之相适应的故障分析诊断 理论和技术，来全面快速处理有可能出现的各种故障。故障分析的系统工程方法大致可 分为四类：统计分析法、逻辑分析法、模糊分析法以及综合分析法。这些方法总的思想 是把复杂设备和人的因素作为一个系统，运用数学方法和现代化工具手段来研究系统失 效的因果之间的各种逻辑关系，并计算出系统失效与其组成部分失效之间的定性、定量 关系。国内外通过这些方法对d e h 系统的诊断策略进行了大量的研究。文献【5 2 】把故障树 和故障模式和影响分析法应用于调节系统，建立了某汽轮机调节系统的故障树和故障模 式和影响分析表。文献【5 3 】采用基于数学模型的参数识别方法对汽轮机调节系统故障诊断 作了系统、详尽的研究。文献【5 4 】利用模糊模式识别理论，建立系统故障模型，通过对 d e h 系统仿真进行了故障诊断处理研究。文献【5 6 , 5 7 , 5 8 】用极大似然辨识方法进行调节系统 非线性研究。文献【5 5 】分别用数学模型与神经网络、统计与神经网络的结合，专家系统采 用神经网络进行前期处理的混合方法的对控制系统的诊断进行了研究。 1 3 课题研究的主要内容 本文的研究内容主要包括如下几部分： 1 介绍汽轮机数字电液控制系统的特点、系统的组成和控制功能。通过对d e h 系统 的运行机理进行分析，在传统的2 0 0 m w 汽轮机组模型的基础上，针对3 0 0 m w 汽轮机组 的特点，分析系统各环节的动、静态特性，建立它们的数学模型。 2 运用m a t l a b 软件对目前电厂中广泛应用的基于串级p i d 控制方案的汽轮机控制 系统进行了大量的仿真研究。针对3 0 0 m w 凝气式汽轮机并网前的转速控制的特点对阀 门调节器参数进行整定，并给出整定方法和控制器参数。对并网后的负荷控制进行仿真 研究得到了不同扰动下( 负荷扰动、汽压扰动、功率给定值扰动) 控制系统的功率和转速 4 硕士学位论文 输出曲线，并给出了控制器参数和参数的整定方法。 3 改进汽轮机控制方案。在串级p i d 控制方案的汽轮机控制系统仿真研究的基础上， 采用模糊控制策略与古典p i d 控制相结合的模糊自整定p i d 控制器取代原有的p i d 控制 器，对汽轮机并网后的负荷控制系统进行了仿真研究。得到了其在不同扰动下系统的功 率和转速输出特性曲线并与古典p i d 控制方案下的输出曲线进行对比研究。 4 根据d e h 故障知识库，建立了基于w e b 方式的d e h 故障诊断查询系统架构。通过 建立动态故障诊断知识库，给出各种故障实用的解决故障的方法和建议，并采用w e b 的 方式，让任何人通过网络浏览器来使用它。此系统可以方便有效的完成故障知识库在线 查询和更新。 5 汽轮机d e h 系统参数优化及故障查询研究 第2 章d e h 系统及被控对象的数学模型 随着大规模集成电路的应用和计算机技术的飞速发展，计算机运行速度和可靠性的 提高，使得计算机在工业生产过程中已被广泛使用并参与控制。在汽轮机的调节系统中 出现了数字电液控制系统( d i g i t a le l e c t r i ch y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m d e h ) 。 数字式控制的基本概念是采用计算机技术进行数字运算和软件编程，实现各种控制 功能。数字控制在通信、控制功能的扩展、故障诊断等方面比模拟控制具有明显的优点， 甚至模拟控制很难实现、无法实现的功能，数字控制只要稍作软件修改就可以方便的实 现，一次在生产过程中，数字式控制逐渐成为自动控制的主要形式。但是一个世纪的工 业控制系统，数字控制的输出通常需要转换为动力，才能驱动被控对象的执行机构。也 就是说，在计算机与被控对象之间需要一个快速响应的转换环节，被控对象执行机构需 要有足够大的驱动力，才能完全响应数字控制的输出。这在工业应用中通常采用电液伺 服阀和液压动力作为驱动动力组成电液伺服系统。这类有计算机数字控制的电液伺服系 统就是数字式电液控制系统。它和模拟式电液控制系统不同的是采用了计算机控制。数 字式电液控制系统是计算机数字式控制的输出通过电液转换环节，以液动力驱动液压执 行机构，控制被控对象。 d e h 系统用计算机代替了模拟电液控制系统中的模拟电路部分，发挥了计算机控制 运算、逻辑判断与处理能力强、软件组态灵活方便等优势，将顺序控制、运行监测、调 节与保护融为一体。特别是液压系统采用高压抗燃油e h 液压系统后，系统的安全性和稳 定性都得到了提高。 高压抗燃油e h 液压系统是汽轮机数字式电液控制系统d e h 中的一个重要部分， 它主要有供油系统、执行机构和危机遮断系统的液压控制系统三大部分组成。供油系统 是一个e h 油储存和处理中心，并向e h 系统提供稳定的高压油，以此来驱动执行机构； 执行机构相应从d e h 送来的电指令信号，以调节汽轮机蒸汽阀的开度。危机遮断系统是 当汽轮机的运行参数超过运行限定值时，调节或关闭汽轮机蒸汽阀门，来保证汽轮机正 常安全运行。目前，新华控制工程有限公司、通用公司、西屋公司、法国的阿尔斯通、 西门子等公司的汽轮机控制系统都采用了高压抗燃油的控制系统。 2 1d e h 系统组成 如图2 1 所示，d e h 调节系统主要有五大部分组成【3 5 】： ( 1 ) 电子控制器。主要包括基本控铝l j d p u ( d i s t t r i b u t e dp r o c e s su n i t ) o p 数字计算机、混 合数模插件、接口和电源设备等，均集中在控制柜内，主要用于给定、接收反馈信号， 逻辑计算和发出指令进行控制。基本控制d p u 采用双机冗余控制，通讯采用用于以太网 网络通讯，开关量及模拟量输出部分移到i o 通道中实现，阀门控制伺服调节回路有v c c 卡控制调节汽阀和主汽阀。 ( 2 ) 操作系统。包括工程师站和操作员站，主要设置有操作盘、图像站显示器、键盘 6 硕十学位论文 等，为运行人员提供运行信息监督、人机对话和操作等服务，工程师站和操作员站与d p u 通讯通过冗余以太网连接。手动操作盘是当基本控制用的一对冗余d p u 均故障时，系统 会自动切换至手动，此时运行人员可通过手动操作盘的阀门增减按钮操作各v c c 卡去控 制各阀门开度。 ( 3 ) 油系统。包括高压控制油系统和润滑油系统，两系统独立分开。高压油( e h ) 采用 三芳基磷酸酯抗燃液压油，为控制系统提供控制与动力用油，系统设有油泵，它接受调 节器或操作盘来的指令进行控制。润滑油泵由主机拖动，为润滑油系统提供透平油。 ( 4 ) 执行机构。执行机构包括高压主汽门电液伺服机构、高压调门电液伺服机构、中 压主汽门电液伺服机构、中压调门电液伺服机构。执行机构主要有伺服阀放大器、电液 伺服阀、线性位移变换器( l v d t ) 、快速卸载阀和具有开关、隔离和逆止装置的油动机组 成，负责驱动高压主汽阀、高压调节汽阀和中压主汽阀、中压调节汽阀。 ( 5 ) 保护系统。设有电磁阀，用于机组超速时关闭高、中压调节汽阀，用于严重超速 ( 1 l o ) 、轴承油压低、e h 油压低、等情况下危机遮断和手动停机之用。 坠嚣热筒，徽篷籼型悯 尹l 绷朔弱湖- r 茹力依t 妻嚣 l 一赫山一翻0 鬃 巾琢 张熬嚣：l ，汽麓 巾愿 朔弱朗 功 謦 传 绉 瓣l 锨l 擞l 锨l 铂l 。瓣 邕刿”；篱蝴! 供 2 2d e h 系统功能 鞋 黪夺 爱镌 汽蚓降缀溺 翔 撬t 兹ll 橇i f 嚣