汽轮机转速调节系统的鲁棒性调节方法及系统

技术领域

本发明涉及核电厂汽轮机调速技术领域，尤其涉及一种汽轮机转速调节系统的鲁棒性调节方法及系统。

背景技术

气动执行机构具有结构简单、检修维护方便等优点。使得在核电厂中，汽轮机转速调节系统采用气动执行机构作为控制调节阀的动力装置广受青睐。

而转速调节系统要求气动执行机构响应速度要尽可能快，以适应转速调节。为了加快气动执行机构的响应速度，一般选择在气动执行机构的进气管线处安装增速器，以提高气动执行机构的响应速度。

目前，采用气动执行机构的转速调节系统存在以下缺陷：若汽轮机长时间停运后的再次启动(以下简称冷启动)可能会引起汽轮机转速波动，转速波动发生后转速调节系统不能正确响应，严重时甚至导致超速跳闸；而汽轮机经过短时间间隔启动时(以下简称热启动)往往能够保持良好的调节性能。当转速调节系统因响应慢而无法及时抑制转速的上升而引起汽轮机超速时，通过调整转速调节系统的PID控制器参数，以及提高转速调节系统的响应速度可以解决该问题。虽然增速器的流量系数越大，越有利于提高转速调节系统的响应速度，但是响应速度过快又可能导致汽轮机转速发生波动，最终可能导致汽轮机在热启动时正常，但冷启动时会因转速大幅度波动或超速跳闸而失败，即对于如何提高转速调节系统的鲁棒性缺乏有效的技术手段。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种汽轮机转速调节系统的鲁棒性调节方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种汽轮机转速调节系统的鲁棒性调节方法，包括以下步骤：

建立用于测试增速器性能的调速系统模型；

通过所述调速系统模型对各被测增速器进行性能测试，分析性能测试结果，得到最佳流量系数以及与所述最佳流量系数对应的最佳启动阈值。

优选地，在所述建立用于测试增速器性能的调速系统模型的步骤中，包括：

根据所述汽轮机的转速调节系统建立与其功能一致的调速系统模型。

优选地，所述调速系统模型包括：

汽轮机，用于根据其调节阀的开度调节其转速；

阀门调节单元，用于根据气压驱动信号控制所述汽轮机的调节阀开度；

调速单元，用于根据目标转速和所述汽轮机的实时转速生成进汽调节阀开度指令；

转换器，用于将所述进汽调节阀开度指令转换为第一气压信号；

定位单元，用于根据所述第一气压信号、所述阀门调节单元输出的第二气压信号和所述被测增速器输出的增压信号输出所述气压驱动信号，与所述被测增速器配合，进行所述性能测试。

优选地，在所述通过所述调速系统模型对各被测增速器进行性能测试的步骤中，包括：

通过所述调速系统模型对各所述被测增速器分别在不同启动阈值设置下进行冷启全关试验，采集各所述被测增速器进行每一次所述冷启全关试验的性能参数；分析各所述性能参数，进而得到所述最佳流量系数和所述最佳启动阈值；其中，所述性能参数包括阶跃响应特性和阀门关闭时长。

优选地，述分析各所述性能参数的步骤中，包括：

根据所述阶跃响应特性判断各所述冷启全关试验的稳定性是否合格；

在稳定性判断合格的各所述冷启全关试验中，取其当中所述阀门关闭时长最小的所述冷启全关试验的流量系数和启动阈值对应为所述最佳流量系数和所述最佳启动阈值。

优选地，在所述根据所述阶跃响应特性判断各所述冷启全关试验的稳定性是否合格的步骤中，包括：

若所述冷启全关试验在设定时间内达到转速稳定状态、超调量小于超调限值且欠调量小于欠调限值，则判断该次所述冷启全关试验的稳定性合格。

优选地，在所述通过所述调速系统模型对各所述被测增速器分别在不同启动阈值设置下进行冷启全关试验的步骤中，包括：

通过调节所述被测增速器的螺钉位置设置所述启动阈值。

优选地，所述冷启全关试验包括：

通过处于冷态工况下的所述调速系统模型控制其调节阀从全开状态关闭到预设行程；其中，所述冷态工况是指所述调速系统模型停机时长超过预设时长的工况。

优选地，所述汽轮机转速调节系统的鲁棒性调节方法还包括：

根据所述最佳流量系数选定目标增速器，以及根据所述最佳启动阈值设置所述目标增速器的调节螺钉位置；

然后，将所述目标增速器安装至所述转速调节系统中，进行冷热态启动测试，进而得到测试结果。

本发明还构造了一种汽轮机转速调节系统的鲁棒性调节系统，包括：

调速系统模型，用于测试增速器性能；

测试单元，用于控制所述调速系统模型对各被测增速器进行性能测试，还分析性能测试结果，生成最佳流量系数以及与所述最佳流量系数对应的最佳启动阈值。

实施本发明的技术方案，通过建立调速系统模型，然后利用调速系统模型对各被测增速器进行性能测试，最后根据性能测试结果得到最佳流量系数和最佳启动阈值，进而甄选出效果最适合气动执行机构的增速器以及对应的参数设置，从而确保转速调节系统具备优秀的动态响应性能，能显著提高转速调节系统的鲁棒性，使其在不同工况下都能稳定控制汽轮机。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一些实施例中汽轮机转速调节系统的鲁棒性调节方法的流程示意图；

图2是本发明一些实施例中调速系统模型的结构示意图；

图3是本发明一些实施例中增速器的结构示意图；

图4是本发明一些实施例中目标增速器与转速调节系统的原增速器的冷态启动测试的效果对比图；

图5是本发明一些实施例中汽轮机转速调节系统的鲁棒性调节系统的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

需要说明的是，附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

参考图1所示，是本发明提供的汽轮机转速调节系统的鲁棒性调节方法的流程示意图，该实施例鲁棒性调节方法用于提升核电厂中的汽轮机转速调节系统的鲁棒性，该转速调节系统包括汽轮机、用于调节汽轮机的调节阀开度的气动执行机构和用于提高气动执行机构响应速度的增速器等，另外，该汽轮机主要用于推动核电厂中实现各类功能的动力泵，该鲁棒性调节方法具体包括：

建立用于测试增速器性能的调速系统模型；通过调速系统模型对各被测增速器进行性能测试，分析性能测试结果，得到最佳流量系数以及与最佳流量系数对应的最佳启动阈值。通过该实施例，可以甄选出效果最适合气动执行机构的增速器及其对应的最佳启动阈值，以确保转速调节系统具备优秀的动态响应性能，能显著提高转速调节系统的鲁棒性，使其在不同工况下都能稳定控制汽轮机。

在一个优选实施例中，可通过以下方式建立用于测试增速器性能的调速系统模型：

根据汽轮机的转速调节系统建立与其功能一致的调速系统模型。在该实施例中，建立与转速调节系统功能一致的调速系统模型，以尽可能模拟被测增速器安装到转速调节系统中进行性能测试，从而提高性能测试结果的准确性和可信性。

进一步地，在一个优选实施例中，如图2所示，调速系统模型包括：汽轮机21、阀门调节单元22、调速单元23、转换器24和定位单元25。其中，汽轮机21用于根据汽轮机自身的调节阀的开度调节其转速。阀门调节单元22用于根据气压驱动信号控制汽轮机21的调节阀开度。调速单元23用于根据目标转速和汽轮机21的实时转速生成进汽调节阀开度指令。转换器24用于将进汽调节阀开度指令转换为第一气压信号；转换器24可以是现有技术中常用的电气转换模块，用于将电信号转换气压信号。定位单元25用于根据第一气压信号、阀门调节单元22输出的第二气压信号和被测增速器3输出的增压信号输出气压驱动信号，与被测增速器3配合，进行性能测试。

在一个具体实施例中，如图2所示，调速单元包括第一运算器和第一PID控制器。第一运算器用于计算目标转速和汽轮机21的实时转速的第一差值，第一PID控制器用于根据第一差值生成进汽调节阀开度指令。

定位单元25包括第二运算器、第二PID控制器和第三运算器。第二运算器用于计算第一气压信号与第二气压信号的第二差值；第二PID控制器用于根据第二差值输出基础驱动信号；第三运算器用于计算基础驱动信号与增压信号的和，进而得到气压驱动信号。

对于被测增速器3，Cv表示增速器的流量系数，用于表征增速器的增速效果，在核电厂中，增速器的流量系数一般与增速器的增速效果和尺寸大小呈正相关。

通过分析图2所示的实施例，调速系统模型与增速器配合的动态响应时间函数表为：t＝f(A,P,V,k,Cv,h)，其中，t为动态响应时间；A为气源压力；P为第二PID控制器的传递函数；V为执行机构的气室容积；k为执行机构的弹簧参数；Cv为增速器的流量系数；h为增速器的启动阈值。由于气源压力、第二PID控制器的传递函数、执行机构的气室容积和执行机构的弹簧参数均为固定值，因此可以通过改变流量系数和启动阈值来调整调速系统模型的响应特性。

在该实施例中，调速系统模型的结构及功能与转速调节系统的基本一致，以进一步地提高性能测试结果的准确性和可信性。

进一步地，在一个优选实施例中，可以使用以下方式通过调速系统模型对各被测增速器进行性能测试：

通过调速系统模型对各被测增速器分别在不同启动阈值设置下进行冷启全关试验，采集各被测增速器进行每一次冷启全关试验的性能参数；分析各性能参数，进而得到最佳流量系数和最佳启动阈值；其中，性能参数包括阶跃响应特性和阀门关闭时长。即便是同一个被测增速器，在不同的启动阈值设置下进行冷启全关试验，得到效果也不尽相同，尤其是阶跃响应特性和阀门关闭时长，因此采集每一个被测增速器在不同启动阈值设置下进行冷启全关试验的性能参数，以便全面、准确地分析出最佳流量系数和最佳启动阈值。具体地，在进行每一次冷启全关试验时，记录调速系统模型中的汽轮机的实时转速数据和时间数据的变化；然后，通过分析实时转速数据和时间数据，可以得到阶跃响应特性和阀门关闭时长。其中，阶跃响应特性用于表示调节阀的开度到达全关位置时的汽轮机转速稳定性，可以通过转速的超调量、欠调量和稳定性来表征阶跃响应特性。阀门关闭时长是指调节阀的开度到达全关位置时所需的时长，阀门关闭时长越小，说明增速器的响应速度越快。

进一步地，在一个优选实施例中，可以通过以下方式分析各性能参数：

根据阶跃响应特性判断各冷启全关试验的稳定性是否合格；在稳定性判断合格的各冷启全关试验中，取其当中阀门关闭时长最小的冷启全关试验的流量系数和启动阈值对应为最佳流量系数和最佳启动阈值。在该实施例中，若冷启全关试验的稳定性合格，说明在相应试验中，汽轮机的调节阀全关时，其实际转速与目标转速误差在标准范围内，而这是确保汽轮机能够稳定运行的先决条件，因此需要取稳定性合格的各个冷启全关试验当中，阀门关闭时长最小的冷启全关试验所对应的流量系数和启动阈值分别为最佳流量系数和最佳启动阈值。

进一步地，在一个优选实施例中，可以通过以下方式根据阶跃响应特性判断各冷启全关试验的稳定性是否合格：

若冷启全关试验在设定时间内达到转速稳定状态、超调量小于超调限值且欠调量小于欠调限值，则判断该次冷启全关试验的稳定性合格。在该实施例中，对于每一次冷启全关试验，若在进行试验时，汽轮机的转速因振荡而始终无法稳定或到达稳定的时长超过设定时间，那么判断该次冷启全关试验的稳定性不合格。其中，设定时间、超调限值和欠调限值可以根据核电厂的实际情况设定。

进一步地，在一个优选实施例中，可以通过以下方式设置被测增速器的启动阈值：

通过调节被测增速器的螺钉位置设置启动阈值。在该实施例中，被测增速器的剖面图如图3所示，增速器包括输入信号通道1、排气口2、阀体3、阀芯4、进气口5、气源管线输入口6、调节螺钉7、上膜片8、旁通通道9、下膜片10和气源输出口11。参考图4，增速器工作原理如下：当输入至输入信号通道1的气压信号增大时，将驱动上膜片8带动阀芯4向下移动，使进气口5打开，气源管线输入口6与气源输出口11通过内部环腔连接，使注入到气动执行机构的压缩空气流量变大，气动执行机构的响应加快，待增速器上下膜片10的压力平衡时，增速器达到平衡状态，阀芯4回位，进气通道关闭；当输入气压信号减小时，下膜片10带动阀芯4向上移动，排气口2打开，气源输出口11通过排气口2快速排出压缩空气，直至上下膜片10压力再次平衡，增速器重新达到平衡状态，阀芯4回位，排气通道关闭；而通过改变调节螺钉7的旋转圈数，可以调整上膜片8、旁通通道9和下膜片10之间的配合关系，以此来设置增速器的灵敏度，进而改变增速器投入和退出的时机，即相当于设置增速器的启动阈值。需要说明的是，增速器的启动阈值越低，越有利于延长增速器的作用时长，对增加气动执行机构的响应速度起到积极作用。

进一步地，在一个优选实施例中，冷启全关试验包括：

通过处于冷态工况下的调速系统模型控制其调节阀从全开状态关闭到预设行程；其中，冷态工况是指调速系统模型停机时长超过预设时长的工况。在该实施例中，全开状态是指调节阀处于100％行程位置；可选地，预设时长为6小时。由于在实际试验中，实现调节阀到达0％行程位置的调节较为苛刻，且当调节阀的开度行程关闭到一定程度下，其对气动执行机构的增设效果将显著下降，因此，预设行程可以为10％行程位置。

进一步地，在一个优选实施例中，该汽轮机转速调节系统的鲁棒性调节方法还包括：

根据最佳流量系数选定目标增速器，以及根据最佳启动阈值设置目标增速器的调节螺钉位置；然后，将目标增速器安装至转速调节系统中，进行冷热态启动测试，进而得到测试结果。由于调速系统模型与核电厂中的实际转速调节系统必然存在差别，将选定的目标增速器安装至转速调节系统中进行实体的冷热态启动测试，以验证该目标增速器是否对转速调节系统的鲁棒性实现了提高。

在一个具体实施例中，冷热态启动测试包括冷启全关试验和热启动全关试验。其中，热启动全关试验具体过程包括：通过处于热态工况下的调速系统模型控制其调节阀从全开状态关闭到预设行程；其中，热态工况是指调速系统模型停机时长小于预设时长的工况。对目标增速器进行热启动全关试验是为了验证目标增速器安装到转速调节系统后，进行热启动的效果是否符合标准。

图4是本发明一些实施例中目标增速器与转速调节系统的原增速器的冷态启动测试的效果对比图。在该实施例中，目标增速器的流量系数比原增速器的小，由图4可知，目标增速器和原增速器的在调节阀在100％行程关闭至60％行程的区间内的增益作用几乎相同，但是目标增速器的增益效果几乎延续至35％行程，因而使目标增速器到达全关状态所需的时长大大降低(约为1.2s)，而原增速器的增益效果，在调节阀到达60％行程后出现显著下降，导致其到达全关状态所需的时长约为4s，显然，目标增速器的增速效果好于原增速器，说明了转速调节系统的响应性能不一定与增速器的流量系数呈正相关，增加了提高转速调节系统的鲁棒性的技术手段，显著提高了转速调节系统的调节灵活性，为提高转速调节系统的鲁棒性起到积极作用。

参考图5，本发明还提供了一种汽轮机转速调节系统的鲁棒性调节系统，包括：调速系统模型和测试单元。

其中，调速系统模型用于测试增速器性能。测试单元用于控制调速系统模型对各被测增速器进行性能测试，还分析性能测试结果，生成最佳流量系数以及与最佳流量系数对应的最佳启动阈值。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。