基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电厂仪控仿真技术领域，具体涉及一种基于热发电的电厂仪控系统的 半实物仿真平台及控制方法。
【背景技术】
[0002] 由于电厂工作环境的特殊性，高校的科研人员不可能深入电厂一线来进行电厂方 面的理论的研究，所以搭建一个半实物的仿真平台的必要性显现出来了。电厂的种类有很 多，如火电厂，核电厂，水电厂，风力发电厂等，其中火电厂的比例占了绝大多数。若有一个 半实物的仿真平台能够被搭建起来，高校的研究者们就可以利用此平台，对电厂的工艺流 程进行熟悉，对电厂的控制方法进行探索，对电厂的管理方法进行研究，从而大大提高电厂 的研究成果，推动电厂的发展。虽然不能像电厂设备那样工作在苛刻的环境下，但在实验室 环境下，该半实物仿真平台能够大体的模拟电厂的工艺流程和控制方法，并且实验室环境 下，研究的自由度更大，所以该半实物仿真平台对研究的意义重大。
[0003] 相比于软件仿真系统，半实物仿真系统更具有实际操作的价值，这让研究有了一 个实际的看得见摸得着的对象，这更有利于课题研究的展开，使得理论上的推导可以在实 际对象中得以验证。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种基于热 发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台及控制方法，控制器自动的调节供给汽轮机的空气 的流量，并形成反馈，来更真实的模拟热发电工业过程。
[0005] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
[0006] 基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台，包括加热器、换热器、空气栗、汽 轮机和控制器加热器的出口通过管道与换热器的入口连接，并且其之间的管道上设有温度 传感器，换热器的出口通过管道与汽轮机的入口连接，空气栗的出口通过管道与换热器的 出口连接，换热器的出口与汽轮机的入口之间的管道上设有流量计和电磁阀，控制器通过 I/O板卡分别与温度传感器、流量计和电磁阀连接。
[0007] 接上述技术方案，所述加热器包括加热电阻丝和加热罐，加热电阻丝设置于加热 罐内。
[0008] 接上述技术方案，所述加热器包括有多个加热电阻丝，多个加热电阻丝分布于加 热罐内的不同位置，加热罐上设有多个出口，每个出口对应连接一个换热器，每个加热罐的 出口分别通过管道与对应的换热器的入口连接，每个加热罐的出口的管道上均设有一个温 度传感器，多个换热器的出口的管道汇合到一起，再经过一个流量计和电磁阀与汽轮机的 入口连接。
[0009] 接上述技术方案，所述加热电阻丝个数为2~4个。
[0010]接上述技术方案，所述控制器包括PLC。
[0011] 接上述技术方案，所述半实物仿真平台还包括负载，汽轮机带动负载运转。
[0012] 采用以上所述的基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台所使用的控制方 法，其特征在于，包括以下步骤：
[0013] 1)控制器通过温度传感器检测加热器出口的温度T;
[0014] 2)控制器根据检测的加热器出口的温度T及传递函数公式，计算出空气栗应输出 的空气流量Q;
[0015] 3)实际输出的空气流量可能会因为某些因素发生波动，通过流量计测量管道汇总 过来的空气流量，作为反馈信号反馈至控制器，控制器据此可以将空气流量稳定维持在设 定值；
[0016] 4)控制算法采用模糊PID控制，根据实际的空气流量和流量的变化率，通过调节电 磁阀的开度来动态调节换热器出口的空气流量，改变汽轮机的转速。
[0017] 接上述技术方案，所述步骤2)中，传递函数公式为：
其中T为加热 器出口的温度，Q为根据计算空气栗应该输出的空气流量。
[0018] 本发明具有以下有益效果：
[0019] 加热器模拟核反应推或电厂中动力源，换热器和空气栗用来模拟蒸汽发生器，空 气栗为汽轮机提供足够的空气流量，在实验室环境下不能用高温将水烧开产生蒸汽的方法 来推动汽轮机转动，为了克服了推动汽轮机转动的难题，采用空气压缩机鼓入动气的方法， 可以解决这个问题，控制器根据加热器出口的温度变化和检测到换热器出口的实际空气流 量来动态调整电磁阀的开度，进而调节换热器出口的空气流量使汽轮机的转速发生变化， 并形成反馈，来更真实的模拟热发电工业过程。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明实施例中基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台的结构原理 图；
[0021] 图2是本发明实施例中基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台的控制原理 图；
[0022]图中，1-加热器，2-换热器，3-空气栗，4-汽轮机，5-温度传感器，6-流量计，7-电磁 阀，8-负载，9-PLC。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0024]参照图1~图2所示，本发明提供的一个实施例中的基于热发电的电厂仪控系统的 半实物仿真平台，包括加热器1、换热器2、空气栗3、汽轮机4和控制器，加热器1的出口通过 管道与换热器2的入口连接，并且其之间的管道上设有温度传感器5,换热器2的出口通过管 道与汽轮机4的入口连接，空气栗3的出口通过管道与换热器2的出口连接，换热器2的出口 与汽轮机4的入口之间的管道上设有流量计6和电磁阀7,控制器分别与温度传感器5、流量 计6和电磁阀7连接，控制器通过温度传感器5检测加热器1的出口的温度，流量计6检测换热 器2的出口的空气流量，并反馈至控制器，控制器根据加热器1的出口的温度变化和检测到 换热器2的出口的实际空气流量来动态调整电磁阀7的开度，进而调节换热器2所提供的压 力使汽轮机4的转速发生变化;加热器1模拟核反应推或电厂中动力源，换热器2和空气栗3 用来模拟蒸汽发生器，空气栗3为汽轮机4提供足够的空气流量，控制器自动的调节供给汽 轮机4的空气的流量，并形成反馈，来更真实的模拟热发电工业过程。
[0025] 进一步地，所述电磁阀7为调节空气流量的阀。
[0026] 进一步地，所述加热器1包括加热电阻丝和加热罐，加热电阻丝设置于加热罐内。
[0027] 进一步地，所述加热器1包括有多个加热电阻丝，多个加热电阻丝分布于加热罐内 的不同位置，加热罐上设有多个出口，每个出口对应设有一个换热器2,每个加热罐的出口 分别通过管道与对应的换热器2的入口连接，每个加热罐的出口的管道上均设有一个温度 传感器5，多个换热器2的出口的管道汇合到一起，再经过一个流量计6和电磁阀7与汽轮机4 的入口连接。
[0028] 进一步地，所述加热电阻丝个数为3个，加热罐上对应设有3个出口。
[0029] 进一步地，所述控制器包括PLC9。
[0030] 进一步地，所述半实物仿真平台还包括负载8,汽轮机4带动负载8运转。
[0031] 采用以上所述的基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台所使用的控制方 法，包括以下步骤：
[0032] 1)控制器通过温度传感器5检测加热器1出口的温度T;
[0033] 2)控制器根据检测的加热器1的出口的温度T及传递函数公式，计算出空气栗3应 输出的空气流量Q;
[0034] 3)实际输出的空气流量可能会因为某些因素发生波动，采用闭环控制，通过流量 计6测量管道汇总过来的空气流量，作为反馈信号反馈至控制器，控制器据此可以将空气流 量稳定维持在设定值；
[0035] 4)控制算法采用模糊PID控制，根据实际的空气流量和流量的变化率，通过调节电 磁阀7的开度动态调节换热器2的出口的空气流量，改变汽轮机4的转速。
[0036] 本发明的工作原理：
[0037] 系统硬件工作原理:基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台由加热器1，换 热器2,空气栗3,汽轮机4,负载8,电磁阀7,温度传感器5,流量计6,以及相应的管道，电气， 机械连接组成，可以用于模拟研究核发电厂，也可推广到基于热原理发电的电厂的研究。
[0038] 以压水堆核电站为例，压水堆核电站主要由3个回路组成，一回路包括核反应堆， 稳压器，水栗以及管道，阀门等等，二回路包括蒸汽发生器，水栗以及管道，阀门等等，三回 路是冷凝回路，将二回路的蒸汽冷凝成水循环使用。
[0039] 在核电实际现场，核反应堆里面产生核裂变反应，产生巨大的热量，该热量由冷却 剂水带出，并在水栗的作用下，一回路的水形成循环流动，不断地带走反应堆堆芯的热量， 带走的热量在蒸汽发生器里面发生热交换，把二回路的水加热至沸腾，产生蒸汽，推动汽轮 机4转动，带动负载8发电。
[0040] 但是，实验室环境下，产生过高的温度和压力会比较危险，所以不能用高温将水烧 开产生蒸汽的方法来推动汽轮机4转动，汽轮机4的转动需要一定的空气的压力和流速，所 以可以用空气栗3栗入空气的方法来使汽轮机4转动;首先应设定好空气栗3的正常工作的 参数，如供电电压等，然后可